整体式蜂窝陶瓷型分子筛吸附剂的吸附性能研究

赫帅

（南京医科大学康达学院理学部，江苏连云港222000）

工业上大风量低浓度的VOCs 处理技术常采用沸石转轮浓缩技术，该技术的核心在于吸附区，筛选合适工况的吸附剂进行整体化处理。由于整体化内部平行化的结构，VOCs气流进入整体化的吸附剂后，只发生径向吸附减小气流阻力。整体化载体常采用平板式、波纹板式、蜂窝状，但由于平板式的载体表面积小，吸附剂利用率不高并且占地面积大；波纹状的载体在吸附运行中容易飞灰磨损而逐渐淘汰；蜂窝状的载体具有机械强度高，表面积大，可涂覆的吸附剂量大等优点而在工业上广泛应用。

前期工作中探究硅铝比对HZSM-5 型分子筛吸附性能的影响，已筛选出吸附性、抗水性最优的HZSM-5（280）分子筛，因此本文选用HZSM-5（280）分子筛为涂层，通过浸渍法将其在蜂窝陶瓷表面进行涂覆，依次考查涂覆工艺参数如浆料固含量、涂覆次数对涂覆效果的影响以及涂覆后的涂覆量、VOCs 类型对整体化蜂窝陶瓷分子筛吸附剂的吸附性能影响，对整体化蜂窝陶瓷分子筛吸附剂工业化应用具有一定的参考价值。

1 实验部分

1.1 整体式蜂窝陶瓷型分子筛吸附剂制备

（1）涂覆浆料制备

选用HZSM-5（280）分子筛为原料，添加玻璃纤维、粘合剂，以6∶1∶2的配比制备浆料，加入去离子水，通过分散器将浆料均匀搅拌，最后通过球磨使浆料内的固体充分粉碎至粘稠的浆液。

（2）涂覆方法

通过蠕动泵将浆液均匀涂覆在蜂窝陶瓷载体的内外表面（6.5 mm ×6.5 mm×200 mm，单孔道）。涂覆后的载体放置在110℃的恒温烘箱内干燥，通过空气泵吹扫载体的内表面，防止多余浆液堵塞孔道，再转移至马弗炉内500℃下煅烧3 h，得到的产物即为整体化蜂窝陶瓷分子筛吸附剂，用HZSM-5（280）/HC 表示。对吸附剂涂覆前后进行称重计算涂覆量。整体式蜂窝陶瓷分子筛吸附剂如图1所示，发现蜂窝陶瓷载体的内外表面均匀涂覆HZSM-5（280）。

图1 整体式蜂窝陶瓷分子筛吸附剂照片

1.2 整体式蜂窝陶瓷型分子筛评价

图2 固定床评价装置

整体式蜂窝陶瓷型分子筛吸附剂内表面的涂覆量η用以下公式计算：

式中：M—空白载体的质量，g；M—整体式蜂窝陶瓷型分子筛吸附剂的质量，g。

2 涂覆工艺参数对涂覆效果的影响

2.1 浆料固含量

浆料中的水分含量影响浆料的黏度，浆料固含量低，导致在载体表面附着的浆料附着能力差，在气流通过时容易脱落。若浆料固含量过高，则导致涂层过厚，VOCs气体无法达到涂层内部，因此浆料选择合适的固含量至关重要。图3为固含量为20%、25%、30%时反复浸渍制备整体化蜂窝陶瓷分子筛吸附剂的最大涂覆率与最大涂覆量，发现当固含量为25%时涂覆效果最佳。当固含量为20%时，由于浆液较稀，经反复浸渍后最大涂覆率仅达到4.5%，涂覆量仅为0.98 g，不利于工业化应用。固含量达到30%时浆料较为粘稠。第三次涂覆时达到14%的高涂覆率，在空气泵吹扫过程中，出现较为明显的飞粉现象，说明高固含量不利于浆料在载体表面附着。

图3 浆料固含量对涂覆效果的影响

2.2 涂覆次数

选择固含量效果最佳的25%HZSM-5（280）/HC 为研究对象，考查涂覆次数对涂覆效果的影响，如图4 所示。显然随着涂覆次数的增加，涂覆率与涂覆量随之增大。但第7次涂覆时涂覆率降低，说明第6次涂覆时浆料已在载体表面饱和。

图4 涂覆次数对涂覆效果的影响

3 整体式蜂窝陶瓷型分子筛吸附性能测试

3.1 涂覆率

在空速为5×10h，丙酮体积分数为0.02 vol.%的实验条件下，进行不同涂覆率的HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的穿透曲线实验，并做空白对照，实验结果如图5所示。发现空白蜂窝陶瓷载体无吸附能力，随涂覆率的增大，吸附传质中心斜率变缓，饱和时间也随之延长。由于涂覆率的增加，HZSM-5（280）的含量增大，进而单位吸附饱和容量也随之降低，实验结果如表1所示。

图5 不同涂覆率HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的穿透曲线

表1 不同涂覆率HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的吸附数据

3.2 VOCs种类

吸附测试中VOCs 选择正己烷、乙醇、乙酸乙酯、丙酮，正己烷是典型的非极性分子，其他三种VOCs 属于强极性分子。图6为涂覆率为10%的HZSM-5（280）/HC吸附这四种VOCs 的吸附穿透曲线，发现穿透曲线的形状大致相同，说明HZSM-5（280）/HC 吸附VOCs 的传质过程相同。对比表3 吸附数据，乙醇的穿透速度最快，正己烷最慢。但由于乙醇的摩尔质量低，因此单位吸附饱和容量最大，而正己烷的摩尔质量大，并且分子链较长，不利于正己烷进入HZSM-5（280）/HC的孔道进行吸附。前期工作中已讨论过HZSM-5（280）的官能团组成，由于HZSM-5（280）中含有大量的T-O-T（T 为Si 或Al）、Si-OH等极性较强的官能团，丙酮的极性大于乙酸乙酯和正己烷，从表2 的数据发现，吸附饱和容量有同样的规律。因此在相同的实验条件下，极性越弱的VOCs可以在较短的时间内在HZSM-5（280）/HC上达到吸附饱和，且吸附饱和容量低。

图6 HZSM-5（280）/HC吸附不同VOCs的吸附穿透曲线

表2 HZSM-5（280）/HC吸附不同VOCs的吸附数据

4 结论

（1）当浆料固含量为25%，涂覆第6 次时可达到最大涂覆率，为最优涂覆工艺参数。

（2）HZSM-5（280）/HC 的吸附性能与VOCs 的极性相关，对极性较大的分子表现出较优异的吸附性能。