多孔材料对烷烃和烯烃类挥发性有机物的吸附去除研究

摘要

近年来,气态污染物的治理越来越受到人们的重视,其中挥发性有机物(VOCs)逐渐成为污染物的重要组成部分。VOCs不仅能危害人类健康、参与大气光化学反应,而且与PM2.5的形成有密切的联系。其中低浓度或者非持续排放的VOCs不宜直接采用传统的燃烧法等其它降解方法去除,设备的持续运作会导致大量的能源消耗,从而大大降低了污染控制的经济性。而采用吸附法既可直接吸附除去VOCs,通过解吸、回收利用吸附质实现资源化;又可通过先吸附、富集污染物,再联合其它方法实现降解来降低能耗。吸附法除去VOCs的关键是吸附剂对吸附质拥有较高的吸附量,本研究中选取乙烯和正丁烷作为VOCs的代表物。
　　本论文首先选取多种拥有不同孔径、不同孔结构的常见多孔材料作为吸附剂,研究其在常温附近(35℃)对乙烯和正丁烷的吸附行为,并对进一步用以改性的材料进行初步筛选。通过改变吸附时的压力、温度等条件发现:在吸附温度升高时,只有酸性分子筛对乙烯的吸附不符合一般规律。通过多种表征手段证实:乙烯在分子筛酸性中心上会发生芳环化并被吸附,从而导致吸附量的上升。
　　然后,论文以结构相对简单、有序的分子筛为改性对象,考察不同的改性手段对吸附造成的影响。使用适当浓度的酸碱溶液对分子筛进行骨架元素部分溶解改性,创造出新的吸附位,实现气体的吸附量提高约12％。利用表面活性剂及蔗糖对分子筛进行表面碳化改性,提高分子筛表面的非极性,其中蔗糖改性的MCM-48分子筛对正丁烷的吸附量提高近60%。使用离子交换法对MCM-41分子筛完成过渡金属离子交换改性,将镍元素引入分子筛中,改性后的样品在35℃、100kPa下对乙烯的最大吸附量超过400cm3/g,约为商用活性炭的6倍,远高于现有其它文献报导的数据。通过多种表征手段证实:改性MCM-41中的二价镍在经过高温处理后转变为一价镍,并成为乙烯吸附过程中发生聚合反应并被吸附的活性中心,从而导致吸附量的增加。
　　最后,成功地分别制备出拥有特殊结构的分子筛和活性炭,并作为吸附剂用于吸附研究。以MCM-41为基体,引入Beta分子筛制备出一系列拥有微孔、介孔复合结构的复合分子筛,与纯MCM-41吸附剂相比气体吸附量提高约30%。作为吸附剂的活性炭则以咖啡渣和柚子皮为原料、使用磷酸活化制备,其中以咖啡渣为原料制备出的活性炭比商用活性炭拥有更多的超微孔;而以柚子皮为原料制备出的活性炭则拥有独特的介孔结构,其对正丁烷的最大吸附量约为商用活性炭的两倍。
　　通过论文中对不同吸附剂多种吸附行为的研究,为吸附法除去VOCs提供了一定的理论和应用依据。在对吸附温度的影响研究中,观察到乙烯在酸性分子筛上的吸附并不随温度的增加而简单的吸附量下降。创新性地将分子筛骨架元素部分溶解、分子筛表面碳化和过渡金属离子交换应用于气体吸附剂的表面改性过程中,并起到预期的改性效果。成功的在MCM-41分子筛基体中引入Beta分子筛,并将其作为吸附剂应用于对乙烯和正丁烷的吸附研究中。利用咖啡渣和柚子皮作为制备活性炭的生物基质原料,并成功制备出拥有良好吸附性能的吸附剂,变废为宝。

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中文摘要

英文摘要

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外主要的VOCs处理技术研究

1.3 国内外主要的VOCs吸附材料研究

1.4 常用吸附理论的研究

1.5 本论文主要研究目的和内容

第2章 实验方法与材料

2.1 化学试剂及实验仪器

2.2 实验所用吸附剂

2.3 吸附剂的表征

2.4 吸附剂的评价

第3章 常见多孔材料对VOCs的吸附研究

3.1 引言

3.2 常见多孔材料对VOCs的吸附研究

3.3 温度对VOCs吸附的影响研究

3.4 本章小节

第4章 分子筛吸附剂的改性研究

4.1 引言

4.2 分子筛骨架部分溶解改性研究

4.3 孔结构表面炭化改性研究

4.4 过渡金属离子交换改性研究

4.5 本章小结

第5章 复合分子筛的制备及其吸附特性研究

5.1 引言

5.2 复合分子筛的结构特性和表征

5.3 复合分子筛对乙烯和正丁烷吸附性能的研究

5.4 本章小结

第6章 生物基质活性炭吸附剂的制备及其对VOCs的吸附研究

6.1 引言

6.2 生物基质活性炭的筛选

6.3 生物基质活性炭的表征

6.4 生物基质活性炭对VOCs代表物的吸附性能研究

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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