4種分子篩對VOCs靜態吸附與脫附性能研究

楊宇軒，杜昭，劉倩

(1.河北科技大學 環境科學與工程學院，河北 石家莊 050018；2.揮發性有機物與惡臭污染防治技術 國家地方聯合工程研究中心，河北 石家莊 050018；3.河北省大氣污染防治中心，河北 石家莊 050018)

揮發性有機化合物(VOCs)通常指在常壓下沸點低于250 ℃，或在室溫下(25 ℃)飽和蒸氣壓大于133.32 Pa的任何有機化合物,是空氣中所有的有機化合物的總稱。一些揮發性有機化合物表現出強烈的毒性、刺激性、致癌性，并帶特殊氣味，對人體有極大的損害[1]。吸附法是處理低濃度VOC的有效方法，由于其成熟的技術和高加工效率[2-5]。吸附法是通過吸附劑對VOCs進行選擇吸附凈化處理后，然后排入大氣當中。由于吸附劑的種類、比表面積、孔徑等物理性質的不同，其對VOCs的吸附效果肯定也不同[6-8]。

本文采用靜態吸附法，研究不同型號分子篩對不同性質VOCs的吸附量，分析影響吸附量的主要因素；分別采用熱脫附與微波脫附時分子篩進行脫附，得出更經濟、高效、清潔的脫附方法，為吸附劑工業化使用提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

甲醇、苯、正己烷均為分析純，動力學直徑和極性見表1；3A分子篩、4A分子篩、5A分子篩、10X分子篩均為優級純，參數見表2。

表1 VOCs的參數Table 1 Parameters of VOCs

表2 分子篩的參數Table 2 Parameters of molecular sieves

B124S電子天平；DHG-9030 電熱鼓風干燥箱；MICHEM MD6微波消解系統；NOVA 2000e 孔徑及比表面積分析儀等。

1.2 靜態吸附[9]

將4種分子篩置于150 ℃烘箱中活化4 h，除去分子篩表面吸附的雜質以及水分。

量取苯、甲醇、正己烷150 mL，分別置于200 mL燒杯中，將燒杯分別置于干燥器中。稱量3A分子篩、4A分子篩、5A分子篩、10X分子篩各5 g，置于表面皿中，將表面皿放入盛有VOCs的干燥器。常溫(20 ℃)下進行靜態吸附，每隔1 h取樣稱重。當稱重質量不再變化時(分子篩的吸附量已飽和)，取出分子篩，并用密封袋密封保存，并計算吸附量。

1.3 脫附

1.3.1 熱解吸[10-11]吸附飽和的分子篩采用電熱風箱進行熱風脫附，由室溫開始加熱，溫度為400 ℃，間隔15 min取出稱重，時間為1 h。

1.3.2 微波脫附[12]將吸附飽和的分子篩放入微波解析器中，以800 W功率，由常溫25 ℃開始微波加熱，每間隔1 min取出稱重，當其質量不再發生變化時，即分子篩已脫附完全。

2 結果與討論

2.1 時間對吸附量的影響

4種分子篩對VOCs的靜態吸附結果見表3和圖1～圖3。

表3 分子篩對VOCs靜態吸附量Table 3 Statistics of adsorption amount

圖1 甲醇的靜態吸附曲線圖Fig.1 Static adsorption curve of methanol

圖2 苯的靜態吸附曲線圖Fig.2 Static adsorption curve of benzene

圖3 正己烷的靜態吸附曲線圖Fig.3 Static adsorption curve of n-hexane

由表3和圖1～圖3可知，10X分子篩對3種VOCs具有突出的吸附效果，反應22 h時基本達到吸附平衡，對苯的吸附量達96 mg/g，對甲醇吸附量88 mg/g，3A、4A、5A分子篩的甲醇吸附量接近，分別為60，55，65 mg/g，在吸附苯和正己烷的過程中，10X分子篩都具有非常突出的吸附性能。

10X分子篩對甲醇的吸附與活性炭、納米活性炭對比，見圖4。

由圖4可知，10X分子篩對甲醇的吸附量與普通活性炭相當，分別為88，97 mg/g，但低于納米活性炭375 mg/g的吸附量。吸附能力上來說，10X分子篩的吸附量小于活性炭吸附量。

圖4 分子篩與活性炭對甲醇的吸附量Fig.4 Adsorption amount of methanol

2.2 脫附

以吸附效果最佳的10X分子篩分別進行熱脫附和微波脫附，結果見表4、表5。

表4 10X分子篩熱脫附率Table 4 10X molecular sieves thermal desorption rate

表5 10X分子篩微波脫附率Table 5 10X zeolite microwave desorption rate

由表4和表5可知，無論是微波脫附還是熱脫附，基本上都可以脫附完全，兩者脫附率可達95%以上。微波脫附因為具有超高溫的特性，把分子篩內部的結晶水除去，造成脫附后的重量少于原重，而熱脫附相對來說脫附溫度處于可控狀態，沒有出現脫除結晶水的情況(在熱脫附之前使用熱重分析儀對分子篩進行預實驗，得到可脫附完全的溫度)。

2.3 分子篩的再吸附實驗

經微波和熱脫附的10X分子篩在室溫20 ℃下進行靜態吸附，結果見表6。

表6 10X分子篩再吸附數據Table 6 Resorption of 10X molecular sieve

由表6可知，微波脫附和熱脫附二者再吸附率都很高，脫附方式的不同沒有影響到再吸附的效果，不會對分子篩內部結構造成影響。微波脫附具有快速、高效、回收效率高等優點，比熱脫附更加方便、高效。

3 結論

(1)4種分子篩(3A、4A、5A、10X)當中，10X分子篩對3種VOCs(苯、甲醇、正己烷)均具有最大的吸附量，可知吸附量和孔徑大小成正比。

(2)將吸附飽和的分子篩進行微波脫附和熱脫附，脫附效率都達到了95%以上，微波脫附比熱脫附更加方便、高效，且清潔。就微波脫附而言，甲醇在各時段的脫附效率均高于苯與正己烷，原因是極性越大，吸收微波的能力越強，從而脫附效率越大。

(3)經微波和熱脫附的10X分子篩在20 ℃下進行靜態吸附，分子篩具有與原來相同的吸附性能。10X分子篩對苯的原始吸附量為96 mg/g，微波再生后吸附量93.3 mg/g，分子篩的再利用率都達到90%以上，表明脫附方式并沒有對分子篩性能造成影響。