介孔分子筛SBA-15用于低浓度挥发性有机化合物(VOCs)吸脱附的研究

摘要

挥发性有机气体(VOCs)是一类重要的大气污染物，给环境和人类健康带来严重威胁，其污染控制技术日益引起高度重视。吸附技术是处理VOCs的有效手段，转轮吸附技术解决了低浓度有机气体富集的连续性问题，其吸附性能好坏的关键是吸附剂。SBA-15介孔分子筛具有比表面积高、主孔道尺寸均一、孔壁厚、稳定性较好等特点，自首次合成以来一直受到广泛关注，在催化、吸附和分离等各领域均有潜在应用前景。本文主要通过调变合成条件制备出不同的SBA-15介孔分子筛，并将其用于VOCs(甲苯和乙酸乙酯)吸脱附性能的研究。主要研究内容如下： 1、以三嵌段聚合物P123(EO20PO470EO20)为模板剂，TEOS(正硅酸四乙酯)为硅源，酸性条件下合成了常规SBA-15分子筛；以CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)为模板剂，TEOS为硅源，碱性条件下合成了MCM-41分子筛。小角X射线衍射、N2吸脱附表征结果表明，合成的两种分子筛具有典型的二维六方介孔结构，且二者有相似的比表面积。分别用穿透曲线和程序升温脱附考察了甲苯和乙酸乙酯在MCM-41以及SBA-15分子筛上的吸脱附性能。实验表明，和MCM-41相比，甲苯在SBA-15上具有更高的吸附量和较高脱附温度；而乙酸乙酯在两种分子筛上表现出相似的吸脱附性能。两种有机分子与分子筛之间的相互作用强弱用亲性指数表示，结果表明这两种分子筛均呈亲乙酸乙酯、憎甲苯的性能。甲苯在SBA-15分子筛上具有较高的脱附温度是由于SBA-15分子筛中所含的微孔内具有较高吸附势，因而需要更大的脱附活化能。和微孔分子筛TS-1、Silicalite-1等相比，有机气体在介孔分子筛上更容易脱附。 2、通过调节合成过程中晶化温度(分别为80℃，100℃，135℃)和晶化时间(分别为0h，12 h，1 d，2 d，5 d)两种方式调变SBA-15孔道结构。分子筛的孔道性质仍通过小角X射线衍射、N2吸脱附表征；同时用穿透曲线和程序升温脱附研究甲苯和乙酸乙酯在所合成分子筛上的吸脱附性能。分析结果表明，晶化温度升高，样品的比面表积下降；随晶化时间延长，样品中的介孔含量增多，表明在高温和长时间晶化条件下，更多的微孔向介孔转化。根据不同有机气体在分子筛上的吸脱附行为探讨了晶化过程中有机模板剂和无机物种间脱离逐步形成孔道的可能过程。对有机气体吸脱附实验表明：晶化温度提高，气体吸附量减小，脱附温度降低；分子筛随晶化时间延长，有机气体吸附量先增加后减小。实验结果证实甲苯吸附量和分子筛中微孔含量有关，SBA-15分子筛对甲苯的吸附容量比对乙酸乙酯的吸附容量要小得多。 3.用TG-DTG考察了甲苯和乙酸乙酯在SBA-15分子筛上的吸脱附性能，分别用ASTM E698、Friedman与OFW三种经典的动力学方法计算了乙酸乙酯在分子筛样品上的脱附活化能E、指前因子1gA及其随反应进程的变化曲线。有机气体穿透曲线达到平衡后用空气吹扫，根据不同操作条件下的气体脱附浓度与时间的关系，分析了甲苯和乙酸乙酯在分子筛上的扩散过程，表明扩散过程受到介孔孔道的限制。

目录

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第一章文献综述

1.1挥发性有机气体(VOCs)及控制技术

1.1.1 VOCs简介

1.1.2 VOCs控制技术

1.2吸附技术介绍

1.2.1吸附及吸附作用

1.2.2吸附研究对象

1.2.3吸附剂及其评价

1.3有序介孔材料及SBA-15分子筛

1.3.1介孔材料的合成及功能化概述

1.3.2 SBA-15分子筛及其测试表征

1.3.3有序介孔硅基分子筛用于吸附剂的研究

1.4课题研究现实意义及研究内容

1.4.1课题意义及可行性

1.4.2课题研究内容

第二章实验部分

2.1分子筛制备条件

2.1.1化学试剂

2.1.2制备过程装置

2.2分子筛／吸附剂表征

2.2.1粉末X射线衍射(XRD)

2.2.2比表面测定(BET)

2.2.3扫描电子显微镜(SEM)

2.2.4傅立叶红外光谱(FT-IR)

2.2.5同步热分析(TG-DTA)

2.2.6质谱(MS)

2.3吸脱附评价

2.3.1吸脱附装置

2.3.2吸脱附装置配件

2.3.3操作条件

2.3.4操作过程

第三章SBA-15和MCM-41的合成及吸脱附性能

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1分子筛的合成

3.2.2测试及表征

3.3结果与讨论

3.3.1小角XRD衍射

3.3.2 N2吸脱附等温线

3.3.3穿透曲线和程序升温脱附

3.3.4几种微孔分子筛实验结果

3.4结论

第四章SBA-15孔结构调变及对吸脱附性能影响

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.3.1小角XRD衍射

4.3.2低温N2吸脱附

4.3.3穿透曲线和程序升温脱附

4.4结论

第五章有机气体在SBA-15分子筛上的扩散和动力学性能

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.3.1甲醇在SBA-15上吸附

5.3.2乙酸乙酯在SBA-15上脱附

5.3.3甲苯和乙酸乙酯在SBA-15分子筛上的脱附

5.4结论

参考文献

作者简介、撰写和发表的文章目录

致 谢