赫帥

（南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院理學(xué)部，江蘇連云港222000）

工業(yè)上大風(fēng)量低濃度的VOCs 處理技術(shù)常采用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)，該技術(shù)的核心在于吸附區(qū)，篩選合適工況的吸附劑進(jìn)行整體化處理。由于整體化內(nèi)部平行化的結(jié)構(gòu)，VOCs氣流進(jìn)入整體化的吸附劑后，只發(fā)生徑向吸附減小氣流阻力。整體化載體常采用平板式、波紋板式、蜂窩狀，但由于平板式的載體表面積小，吸附劑利用率不高并且占地面積大；波紋狀的載體在吸附運(yùn)行中容易飛灰磨損而逐漸淘汰；蜂窩狀的載體具有機(jī)械強(qiáng)度高，表面積大，可涂覆的吸附劑量大等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。

前期工作中探究硅鋁比對HZSM-5 型分子篩吸附性能的影響，已篩選出吸附性、抗水性最優(yōu)的HZSM-5（280）分子篩，因此本文選用HZSM-5（280）分子篩為涂層，通過浸漬法將其在蜂窩陶瓷表面進(jìn)行涂覆，依次考查涂覆工藝參數(shù)如漿料固含量、涂覆次數(shù)對涂覆效果的影響以及涂覆后的涂覆量、VOCs 類型對整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑的吸附性能影響，對整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑工業(yè)化應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑制備

（1）涂覆漿料制備

選用HZSM-5（280）分子篩為原料，添加玻璃纖維、粘合劑，以6∶1∶2的配比制備漿料，加入去離子水，通過分散器將漿料均勻攪拌，最后通過球磨使?jié){料內(nèi)的固體充分粉碎至粘稠的漿液。

（2）涂覆方法

通過蠕動(dòng)泵將漿液均勻涂覆在蜂窩陶瓷載體的內(nèi)外表面（6.5 mm ×6.5 mm×200 mm，單孔道）。涂覆后的載體放置在110℃的恒溫烘箱內(nèi)干燥，通過空氣泵吹掃載體的內(nèi)表面，防止多余漿液堵塞孔道，再轉(zhuǎn)移至馬弗爐內(nèi)500℃下煅燒3 h，得到的產(chǎn)物即為整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑，用HZSM-5（280）/HC 表示。對吸附劑涂覆前后進(jìn)行稱重計(jì)算涂覆量。整體式蜂窩陶瓷分子篩吸附劑如圖1所示，發(fā)現(xiàn)蜂窩陶瓷載體的內(nèi)外表面均勻涂覆HZSM-5（280）。

圖1 整體式蜂窩陶瓷分子篩吸附劑照片

1.2 整體式蜂窩陶瓷型分子篩評價(jià)

圖2 固定床評價(jià)裝置

整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑內(nèi)表面的涂覆量η用以下公式計(jì)算：

式中：M—空白載體的質(zhì)量，g；M—整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑的質(zhì)量，g。

2 涂覆工藝參數(shù)對涂覆效果的影響

2.1 漿料固含量

漿料中的水分含量影響漿料的黏度，漿料固含量低，導(dǎo)致在載體表面附著的漿料附著能力差，在氣流通過時(shí)容易脫落。若漿料固含量過高，則導(dǎo)致涂層過厚，VOCs氣體無法達(dá)到涂層內(nèi)部，因此漿料選擇合適的固含量至關(guān)重要。圖3為固含量為20%、25%、30%時(shí)反復(fù)浸漬制備整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑的最大涂覆率與最大涂覆量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固含量為25%時(shí)涂覆效果最佳。當(dāng)固含量為20%時(shí)，由于漿液較稀，經(jīng)反復(fù)浸漬后最大涂覆率僅達(dá)到4.5%，涂覆量僅為0.98 g，不利于工業(yè)化應(yīng)用。固含量達(dá)到30%時(shí)漿料較為粘稠。第三次涂覆時(shí)達(dá)到14%的高涂覆率，在空氣泵吹掃過程中，出現(xiàn)較為明顯的飛粉現(xiàn)象，說明高固含量不利于漿料在載體表面附著。

圖3 漿料固含量對涂覆效果的影響

2.2 涂覆次數(shù)

選擇固含量效果最佳的25%HZSM-5（280）/HC 為研究對象，考查涂覆次數(shù)對涂覆效果的影響，如圖4 所示。顯然隨著涂覆次數(shù)的增加，涂覆率與涂覆量隨之增大。但第7次涂覆時(shí)涂覆率降低，說明第6次涂覆時(shí)漿料已在載體表面飽和。

圖4 涂覆次數(shù)對涂覆效果的影響

3 整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附性能測試

3.1 涂覆率

在空速為5×10h，丙酮體積分?jǐn)?shù)為0.02 vol.%的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行不同涂覆率的HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的穿透曲線實(shí)驗(yàn)，并做空白對照，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)空白蜂窩陶瓷載體無吸附能力，隨涂覆率的增大，吸附傳質(zhì)中心斜率變緩，飽和時(shí)間也隨之延長。由于涂覆率的增加，HZSM-5（280）的含量增大，進(jìn)而單位吸附飽和容量也隨之降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 不同涂覆率HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的穿透曲線

表1 不同涂覆率HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的吸附數(shù)據(jù)

3.2 VOCs種類

吸附測試中VOCs 選擇正己烷、乙醇、乙酸乙酯、丙酮，正己烷是典型的非極性分子，其他三種VOCs 屬于強(qiáng)極性分子。圖6為涂覆率為10%的HZSM-5（280）/HC吸附這四種VOCs 的吸附穿透曲線，發(fā)現(xiàn)穿透曲線的形狀大致相同，說明HZSM-5（280）/HC 吸附VOCs 的傳質(zhì)過程相同。對比表3 吸附數(shù)據(jù)，乙醇的穿透速度最快，正己烷最慢。但由于乙醇的摩爾質(zhì)量低，因此單位吸附飽和容量最大，而正己烷的摩爾質(zhì)量大，并且分子鏈較長，不利于正己烷進(jìn)入HZSM-5（280）/HC的孔道進(jìn)行吸附。前期工作中已討論過HZSM-5（280）的官能團(tuán)組成，由于HZSM-5（280）中含有大量的T-O-T（T 為Si 或Al）、Si-OH等極性較強(qiáng)的官能團(tuán)，丙酮的極性大于乙酸乙酯和正己烷，從表2 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，吸附飽和容量有同樣的規(guī)律。因此在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，極性越弱的VOCs可以在較短的時(shí)間內(nèi)在HZSM-5（280）/HC上達(dá)到吸附飽和，且吸附飽和容量低。

圖6 HZSM-5（280）/HC吸附不同VOCs的吸附穿透曲線

表2 HZSM-5（280）/HC吸附不同VOCs的吸附數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）當(dāng)漿料固含量為25%，涂覆第6 次時(shí)可達(dá)到最大涂覆率，為最優(yōu)涂覆工藝參數(shù)。

（2）HZSM-5（280）/HC 的吸附性能與VOCs 的極性相關(guān)，對極性較大的分子表現(xiàn)出較優(yōu)異的吸附性能。