孔壁有序化介孔二氧化硅對(duì)順酐廢氣中苯的吸附分離研究

1、孔壁有序化介孔二氧化硅對(duì)順酐廢氣中苯的吸附別離研究 隨著全世界工業(yè)的迅猛開展 ,全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長 , 然而經(jīng)濟(jì)增長同時(shí)也帶 來了大氣環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)。 在各種大氣環(huán)境的污染物中揮發(fā)性有機(jī)物顯得 尤為嚴(yán)重 , 時(shí)刻威脅著包括人類在內(nèi)的各種生物的健康和平安。許多學(xué)者和科學(xué)家對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物VOCs的治理提出了各種各樣的治理方 法。在眾多治理揮發(fā)性有機(jī)物VOCs方法中,吸附法由于其工藝簡單,操作方便而 倍受學(xué)者們的關(guān)注。特別是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣中含有的苯及相關(guān)的芳環(huán)化合物 , 由于其毒性 大, 難于回收 , 顯示出優(yōu)勢(shì)。但使用吸附法處理回收苯必須選擇適宜的吸附劑。目前常用來處理苯的吸附劑是活性

2、炭 , 然而活性炭在吸附苯的應(yīng)用中存在很 多弊端。在VOCs氣體溫度太高時(shí)，活性炭固定床容易氧化并燃燒，給工業(yè)生產(chǎn)帶 來極大的平安隱患 ,另外最致命的問題是活性炭吸附苯以后隨著吸脫次數(shù)的不斷 增加出現(xiàn)活性炭吸附劑難以再生現(xiàn)象 , 從而導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)中斷。因此需要研究不易燃 ,耐高溫, 水熱穩(wěn)定性能高 , 易再生的沸石吸附劑來代替 活性炭吸附劑 , 以解決活性炭結(jié)焦而不能再生的問題。 本文以囊泡體系為模板劑 , 制備得到介孔二氧化硅材料 , 然后使用四丙基氫氧化銨對(duì)制備出的介孔二氧化硅 材料進(jìn)行孔壁有序化處理 , 再以孔壁有序化的介孔二氧化硅材料為吸附劑應(yīng)用變 壓吸附PSA裝置別離回收順酐廠苯氧化

3、法廢氣中的苯。具體內(nèi)容如下：1、使用陰離子外表活性劑 AE3S和陽離子外表活性劑CTAB 溶液按照不同體積配比進(jìn)行混合后體系出現(xiàn)藍(lán)色 , 肉眼觀測(cè)說明有囊泡結(jié)構(gòu)的自 發(fā)形成；考察了在AE3S和CTAB總濃度一定的條件下,囊泡粒徑大小隨著CTAB勺 用量的變化情況,研究發(fā)現(xiàn)囊泡粒徑大小隨著CTAB的用量的增加先增加后減小 在比擬高的濃度下AE3S和CTAB復(fù)配體系出現(xiàn)了管狀囊泡結(jié)構(gòu),且當(dāng)時(shí)間的增長,管狀囊泡結(jié)構(gòu)也逐漸增多；考察了囊泡粒徑與AE3S和CTAB總濃度的關(guān)系,結(jié)果表 明隨著AE3S和CTAB總濃度的增加，囊泡結(jié)構(gòu)的粒徑呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；考察了溫度對(duì) 此囊泡體系的影響,結(jié)果說明AE3S和CT

4、AB形成的囊泡體系熱穩(wěn)定性良好，溫度的 變化對(duì)囊泡的結(jié)構(gòu)影響不大 , 在極高或極低溫度下囊泡會(huì)發(fā)生破裂 , 但在恢復(fù)常 溫下,破裂的囊泡體系會(huì)重新自發(fā)形成；考察pH值對(duì)囊泡形成的影響，發(fā)現(xiàn)pH值 在7.112的范圍內(nèi)均有囊泡結(jié)構(gòu)的存在,當(dāng)pH值大于12,沒有囊泡結(jié)構(gòu)的存在。 對(duì)于囊泡結(jié)構(gòu)中陰陽離子的排列方式進(jìn)行了研究,通過通過計(jì)算AE3S和CTAE復(fù)配形成的囊泡的壁厚,計(jì)算發(fā)現(xiàn)AE3S和CTAE的分子以尾對(duì)尾傾斜或尾對(duì)尾交叉 排列結(jié)合。2、使用陰離子外表活性劑 AE3S和陽離子外表活性劑CTAB復(fù)配形成的囊泡 體系作為模板,在pH在7.612范圍內(nèi)正硅酸四乙酯(TEOS冰解可以有效的合成 結(jié)構(gòu)

5、穩(wěn)定的介孔二氧化硅材料。 通過實(shí)驗(yàn)考察了介孔二氧化硅樣品經(jīng)過不同的焙 燒程序焙燒后得到樣品的比外表最和孔容不同，由熱重分析儀(TAG)確定的焙燒 程序焙燒過的樣品得到的比外表最大、孔容也是最大 , 不同的焙燒程序?qū)悠返?孔徑影響不大。考察了溶液的pH值對(duì)介孔二氧化硅比外表積及孔容影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著溶 液的pH值得增加介孔二氧化硅介孔材料的比外表積 SBET先增加后降低,在pH 值為9.2時(shí)比外表積和孔容到達(dá)最大，此后隨著pH值的增加，比外表積和孔容逐 漸減小。研究了以TPAOF為模板對(duì)合成的介孔二氧化硅進(jìn)行孔壁有序化處理,結(jié) 果說明可以使介孔二氧化硅的孔壁發(fā)生重排。介孔二氧化硅無序排列的無

6、定形孔壁向著結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)了局部ZSM-5分子篩的晶形特征，從而使得材料具有介孔以及微孔的雙重優(yōu)勢(shì)。在150C的晶化溫度下得到了孔壁有序化的介孔二氧化硅材料 (MESCD的比外表積為600.03 m2g-1,孔容為 0.20m3 g-1。3、使用孔壁有序化后的介孔二氧化硅 MESC為吸附劑考察了不同進(jìn)口濃度、 氣流比速、相對(duì)濕度對(duì)單組份苯及甲苯固在固定床上的吸附性能的影響 , 結(jié)果表 明提高單組份的苯及甲苯的初始進(jìn)口濃度或氣流比速，那么MESC吸附劑固定床的穿透時(shí)間和吸附平衡時(shí)間都隨之降低,而傳質(zhì)區(qū)(MTZ)的長度增加，MESC毆附劑 固定床層的利用效率有所降低 , 同時(shí)平衡吸附量并不隨著氣

7、流比速的改變而變化。 提高氣流的相對(duì)濕度，苯在MESC吸附劑固定床層上的吸附穿透時(shí)間有所降低， 穿透吸附量有所降低,傳質(zhì)區(qū)(MTZ)的長度有所增加。但它們的變化均很小，可見氣流相對(duì)濕度的增加對(duì)MESC吸附劑的吸附穿透 行為影響均不大 , 即水分子的競(jìng)爭(zhēng)吸附并沒有對(duì)吸附產(chǎn)生很大影響。應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn) 的 Yoon-Nelson 吸附方程對(duì)不同進(jìn)口濃度、 氣流比速及氣流的相對(duì)濕度下的穿透 曲線進(jìn)行擬合 , 研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所得的穿透曲線與吸附模型方程擬合得到的理論穿 透曲線的比照發(fā)現(xiàn) , 二者的符合程度很好 ,Yoon-Nelson 可以有效的預(yù)測(cè)苯及甲 苯在MESC吸附劑固定床層上的吸附穿透行為。在雙組份

8、的苯和甲苯混合體系中 ,雙組份體系與單組份體系的吸附穿透曲線 的線型根本相似,只是在VOCS的濃度比擬大的時(shí)候,吸附劑MESC外表的吸附點(diǎn) 很有限,不同組分之間就會(huì)表現(xiàn)出吸附強(qiáng)弱的差異 ,即產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。 這與組分在 吸附劑外表及孔道中的吸附性能有關(guān)。甲苯分子在吸附劑上的吸附能力比苯分子強(qiáng) , 甲苯分子在吸附過程中將已占 據(jù)吸附位的苯置換下來 , 導(dǎo)致苯分子比甲苯分子較早些穿透。對(duì)于 MES、 MESCD 及顆粒狀活性炭對(duì)苯的吸附穿透情況進(jìn)行比擬 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)苯在MES和MESCD固定床上的吸附穿透曲線比擬陡峭，均表現(xiàn)出較好的S型穿透曲線，說明內(nèi)擴(kuò)散 的傳質(zhì)阻力在整個(gè)吸附過程中起著主要作用

9、, 是整個(gè)吸附別離過程的控制步。由于MESC吸附劑的孔徑分布除了具有一局部介孔孔徑結(jié)構(gòu)外還存在一定 數(shù)量類似ZSM-5分子篩的微孔結(jié)構(gòu),所以在這種微-介孔復(fù)合的MESC吸附劑上, 可能由于微孔的直徑與苯分子的動(dòng)力學(xué)直徑相近能很好的將苯分子吸附 , 同時(shí)大 的介孔孔容能有效的容納更多的苯分子,導(dǎo)致MESC吸附劑表現(xiàn)出比MES更好的 吸附性能,穿透時(shí)間相比MES要長,吸附劑床層的利用率比擬高。4、以生產(chǎn)順酐 苯氧化法工廠廢氣為研究對(duì)象,使用MESC充當(dāng)吸附劑,應(yīng)用PSA工藝對(duì)廢氣中 的苯進(jìn)行處理回收。考察了吸附壓力、 氣體流量、 均壓時(shí)及吸附時(shí)間等各個(gè)參數(shù)對(duì)尾氣和脫附濃 度的影響,另外對(duì)吸附劑的吸附性能的穩(wěn)定性能進(jìn)行了測(cè)試 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明 ,在相 同的脫附時(shí)間和吸附時(shí)間條件下 ,尾氣中苯的濃度和脫附氣中苯的濃度都隨著吸 附時(shí)間的延長而增加。在給定的工藝參數(shù)下 , 吸附時(shí)間存在一個(gè)最正確點(diǎn)。在給定的吸附壓力、尾氣流量和吸附時(shí)間下 ,脫附氣中苯的濃度隨著均壓時(shí) 間的增加,其濃度先增加后減小，存在一個(gè)極值點(diǎn)。在壓力為 O.IMPa尾氣流量 為110L/min,吸附時(shí)間為40s、均壓時(shí)間為4s時(shí)，苯的濃度可富集到1.05%。壓力為0.15MPa,尾氣流量為120L/min,吸附時(shí)間為40s,均壓時(shí)間為4s時(shí)， 苯濃度可富集到1.05%。本實(shí)驗(yàn)裝置在工廠不間斷運(yùn)行1286h