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VOCs吸附劑專利技術概述

北極星VOCs在線  來源:VOCs治理減排技術  作者:游震亞  2020/3/6 15:12:50  我要投稿  

北極星VOCs在線訊:揮發性有機化合物VOCs(Volatile Organic Compounds)的定義有好幾種,美國將其定義為任何能參加大氣光化學反應的有機化合物。而在我國,VOCs是指常溫下飽和蒸汽壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以下的有機物。VOCs包含有多種有機物,通常是指常溫常壓下容易揮發的有機化合物,如苯、甲苯、二甲苯、丙酮、苯乙烯等。VOCs主要來源于石油化工、電子制造及汽車尾氣等。某些VOCs具有很強的毒性或致癌性,嚴重威脅著給人類的生命和健康。目前,VOCs日益成為大氣污染的重要組成,對環境會造成巨大的破壞作用。


VOCs的脫除方法有多種,吸附法具有效率高、能耗低、操作簡單、可回收等優點,因而成為脫除VOCs最有效的技術。本文在介紹VOCs吸附機理的基礎上。概括了VOCs吸附劑方面的研究進展,并展望了吸附法脫除VOCs的研究方向。

一、吸附機理

物質內部的分子所受的力是對稱的,故彼此處于平衡。但處于界面處的分子的力場是不飽和的,液體或固體物質的表面可以吸附這種處于界面的分子,這種一種或幾種物質在另一物質表面積蓄的過程和現象稱為吸附。吸附的根本原因是因為物質內部的分子和周圍分子之間有互相吸引的作用。

二、吸附劑

VOCs吸附技術的關鍵是吸附劑,理想的吸附劑通常應具備:大的比表面積、適宜的表面結構、容易再生、成本低廉等優點。吸附劑一般可分為無機和有機吸附劑兩類,實際應用中無機吸附劑更為普遍。通過對VOCs吸附劑領域專利申請的檢索與分析,得知有關VOCs吸附劑主要包括以下幾大類:活性炭、分子篩、黏土、金屬有機骨架材料、有機吸附劑。

1.活性炭

活性炭是應用最廣泛的一類吸附劑,它具有疏松多孔的性質,具有較高的比表面積和較大的孔容積,對VOCs的吸附能力較強,尤其對苯系物等大分子VOCs的脫除效果顯著,但是對甲醛等小分子吸附性能較差。

活性炭的表面官能團結構對活性炭吸附性能有重要影響。常常通過調節活性炭表面含氮、含氧等官能團的種類及數量來調整活性炭的表面酸堿性及孔結構從而改善其吸附VOCs的性能。

CNl03861561A公開了一種去除低濃度低分子量揮發性有機物的碳化物衍生碳吸附劑及其制備方法,所述制備方法先將商用碳化物在惰性氣氛中升溫至600~900℃,再改通氯氣2~4小時進行高溫蝕刻,流量為30~50mL/min。然后,再次通惰性氣氛冷卻至室溫,得到碳化物衍生碳初級產品。然后將所得碳化物衍生碳初級產品加入到氧化性溶液中進行浸漬處理6~12小時。然后,用去離子水洗滌至中性,在105℃溫度下干燥3~8小時,即得到碳化物衍生碳吸附劑最終產品。該吸附劑在高空速下能高效吸附低濃度低分子量VOCs,吸附容量大,使用壽命長,適用于建筑物室內、密閉艙室和其他有限空間內空氣凈化處理。

2.分子篩

分子篩是優良的VOCs吸附劑之一,有較大比表面積和微孔體積,對水等極性分子有強烈的吸附能力。目前使用較多的吸附劑包括NaY、Hβ、ZSM-5、SBA-15、MCM-41等??偟脕碚f。分子篩材料已被廣泛用于對VOCs的吸附。不同類型的分子篩對VOCs的吸附效果不同,這就要求對分子篩進行化學修飾和改性,提高對VOCs的去除效果。

CNl03949204A公開了一種多級孔道復合分子篩吸附劑,采用硅溶膠、正硅酸乙酯、硫酸鋁、氫氧化鈉、鹽酸、溴化六甲雙銨、十六烷基三甲基溴化銨、去離子水為原料,先合成十元環微孔分子篩,然后合成微孔一介孔分子篩,經恒溫箱加熱、反應釜晶化反應、淬冷、真空干燥、高溫焙燒,最終合成多級孔道復合分子篩吸附劑,制備的多級孔道復合分子篩吸附劑晶粒直徑≤1.5um,孔道直徑≤2.83nm,產物純度達96%,可直接用于揮發性有機化合物的吸附劑,也可與多種化學物質匹配,作為吸附材料使用。

3.黏土

黏土因其比表面積較大、孔結構和成本低廉而得到廣泛應用。海泡石、坡縷石等比表面積相對較大的黏土礦物可直接應用于氣體吸附。膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的黏土礦物,具有較大的比表面積和陽離子交換容量。表面活性改性后的有機膨潤土吸附有機污染物的性能顯著提高,經不同表面活性劑改性制備的有機膨潤土對吸附質具有選擇性。

CNl04857929A公開了一種VOC吸附一光催化材料及其制備方法,其制備方法包括如下步驟:步驟一,將凹凸棒石、膨潤土、海泡石、沸石原礦晾曬后進行混合,粗碎,噴水,擠壓成片狀粘土混合物;步驟二,將所述片狀粘土混合物晾曬,然后將晾曬后的片狀粘土混合物和水放人打漿池,加入六偏磷酸鈉,打漿,高速剪切,獲得懸浮液;步驟三,將懸浮液通過旋流分級后轉入密閉反應釜,添加四氯化鈦和硫酸銨,保溫反應,添加氨水調節pH值,獲得乳濁液;步驟四,將所述乳濁液壓濾獲得的餅料和水放人打漿池打漿,洗滌,利用回轉窯焙燒,然后破碎,磨粉;步驟五,造粒,即得。該吸附劑采用的礦物原料易得,成本低,而且操作步驟簡單,容易控制,適于在工業上大規模應用。

4.金屬有機骨架材料

金屬有機骨架材料(MOFs)是近十幾年發展起來的一類新型材料。由于具有高比表面積及化學性質穩定等特點,在環境有害有機氣體吸附方面的應用得到科研人員的廣泛研究。研究較多的MOFs吸附VOCs的材料包括MOF-5、MIL-101和MOF-177等。

CNl02335592A公開了一種金屬有機骨架一氧化石墨納米復合吸附材料及其制備方法,該材料由氧化石墨與鉻基金屬有機骨架構成。制備方法包括如下步驟:將硝酸鉻和對苯二甲酸溶于去離子水中,邊攪拌邊逐滴加入氫氟酸,再加入氧化石墨并攪拌均勻得到反應液,程序控溫下進行水熱反應;將析出的物質依次進行水洗和乙醇洗滌后,離心,干燥,得到金屬有機骨架一氧化石墨納米復合吸附材料。該吸附材料對烴類揮發性有機物的吸附容量大幅提高,且易脫附再生,制備方法工藝簡單,成本低。

5.有機吸附劑

有機吸附劑主要是指高聚物吸附樹脂。高聚物吸附樹脂是指一類多孔性的、高度交聯的,并以吸附為特點,對有機物具有濃縮、分離作用的高分子聚合物。吸附樹脂主要分為凝膠型和大孔型,目前使用廣泛的是大孔型吸附樹脂。隨著大孔離子交換樹脂的出現,大孔吸附樹脂得到了發展。在吸附性能上吸附樹脂與活性炭很相似,大多可以定量吸附,重復使用。而活性炭雖然吸附性能很好,可是再生往往很困難。目前已有的商品吸附樹脂品牌有200多種,并且還在不斷的增加。按照樹脂的表面性質,吸附樹脂一般分為非極性、中極性、極性和強極性四類。

CNl05195107A公開了一種新型小分子揮發性有機污染物吸附。樹脂及其制備方法,具體制備方法如下:首先將選用的非極性大孔吸附樹脂放置在馬弗爐,設置程序升溫對樹脂進行加熱,然后采用飽和氯化鈉溶液浸泡發脹,再用濃度梯度遞減的硫酸進行磺化,然后用去離子水洗凈,采用馬弗爐對經過處理的吸附樹脂設置程序升溫加熱,將吸附樹脂炭化開孔,然后在高溫下通入水蒸氣活化,在惰性氣氛下冷卻后取出封裝保存。該吸附樹脂的制備方法過程簡單,可操作性強,涉及的改性藥劑常見易得。并且由此方法制備的吸附樹脂能夠有效吸附小分子揮發性有機物(VOCs),即使對于室內環境中低濃度VOCs仍具有很好的吸附效率,且該吸附劑環保安全,使用過程中無二次污染。

三、展望

VOCs對環境的危害和對人類健康的威脅,引起社會公眾的普遍關注,其治理已迫在眉睫。在VOCs污染控制的技術里,吸附是有效和經濟的技術之一,吸附劑是治理VOCs污染的關鍵,但是目前的吸附劑還存在高溫度下吸附效率低、高濕度下VOCs的吸附被抑制等缺點,因此,通過對現有吸附材料進行表面改性、調整孔隙結構、多種材料復合等手段進一步提高吸附容量與吸附效率以開發出更為高效綠色的吸附材料是今后的研究方向。

 

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