科普|沸石分子篩在VOCs治理系統(tǒng)中的應(yīng)用
科普|沸石分子篩在VOCs治理系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要
通常自然界存在的結(jié)晶型硅鋁酸鹽稱為沸石,人工合成的稱為分子篩。1959年,美國(guó)聯(lián)合碳化物公司密爾頓博士申請(qǐng)的第一個(gè)人工合成分子篩的專利被批準(zhǔn)下來(lái),此后人工沸石分子篩得到更加廣泛的應(yīng)用。一、沸石的特點(diǎn)淺談沸石分子篩利用物理吸附,將VOCs吸附到分子篩內(nèi)部,再通過(guò)升高溫度使得VOCs逸出,完成吸附和脫附的全過(guò)程。沸石分子篩主要是利用吸附質(zhì)的分子形狀和大小,以及分子極性和不飽和度來(lái)進(jìn)行選擇性吸附。特點(diǎn)1
通常自然界存在的結(jié)晶型硅鋁酸鹽稱為沸石,人工合成的稱為分子篩。1959年,美國(guó)聯(lián)合碳化物公司密爾頓博士申請(qǐng)的第一個(gè)人工合成分子篩的專利被批準(zhǔn)下來(lái),此后人工沸石分子篩得到更加廣泛的應(yīng)用。
一、沸石的特點(diǎn)淺談
沸石分子篩利用物理吸附,將VOCs吸附到分子篩內(nèi)部,再通過(guò)升高溫度使得VOCs逸出,完成吸附和脫附的全過(guò)程。
沸石分子篩主要是利用吸附質(zhì)的分子形狀和大小,以及分子極性和不飽和度來(lái)進(jìn)行選擇性吸附。
特點(diǎn)1:選擇吸附。通過(guò)對(duì)二氧化硅和氧化鋁極有規(guī)律的連接,沸石分子篩微孔具有均勻性,使得其吸附具有選擇性。雖然沸石分子篩沒(méi)有活性炭或硅膠、樹(shù)脂等吸附物質(zhì)的種類廣泛,但是對(duì)目標(biāo)污染物的吸附效率大大提高。
特點(diǎn)2:種類繁多。沸石分子篩中硅氧四面體或鋁氧四面體通過(guò)氧橋鍵相連而形成分子尺寸(通常為0.3nm至2.0 nm)的孔道和空腔體系,具有篩分分子的特性。氧環(huán)通過(guò)氧橋連結(jié),形成具有三維空間的多面體,多面體有中空的籠,籠狀結(jié)構(gòu)是分子篩的骨架結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的籠再通過(guò)氧橋相互聯(lián)結(jié)形成各種不同結(jié)構(gòu)的分子篩,如A型、ZSM-5等。
特點(diǎn)3:性能可優(yōu)化。改變二氧化硅和氧化鋁的比例,可以調(diào)節(jié)分子篩的吸附能力。高硅沸石分子篩顯著改變其疏水性,同時(shí)也改變了其耐溫性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)VOCs工況的適應(yīng)性擴(kuò)展。減小高濕環(huán)境以及環(huán)境溫度變化對(duì)吸附濃縮效果的影響。在沸石晶體的構(gòu)造中存在離子(鈉、鉀、鈣等),通過(guò)陽(yáng)離子的交換,可以改變孔徑,從而更高效的吸附目標(biāo)污染物。
特點(diǎn)4:安全性。沸石材料本身不可燃,在應(yīng)用的安全性上有保障。
二、沸石分子篩的應(yīng)用類型
從沸石分子篩的合成到集成裝置的應(yīng)用,其核心在于不同類型沸石分子篩的選擇吸附以及負(fù)載工藝的優(yōu)化。
01盤(pán)式轉(zhuǎn)輪
盤(pán)式沸石轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)分區(qū)為吸附區(qū)、再生區(qū)以及冷卻區(qū)三個(gè)部分。一般都是10:1:1的分區(qū)比例,也有采用45°脫附區(qū)和45°冷卻區(qū)。
吸附區(qū):廢氣迎風(fēng)面,一般風(fēng)速控制在2-4Nm/s,凈化效率一般在90-97%。凈化氣進(jìn)入煙囪。
冷卻區(qū):一般采用制程氣進(jìn)行冷卻,一方面降低冷卻區(qū)沸石的溫度,使其具有吸附性;另一方面實(shí)現(xiàn)熱能回收。
脫附區(qū):將經(jīng)過(guò)熱回收的氣體,再進(jìn)行加熱溫度到200℃左右,進(jìn)入脫附區(qū)。脫附再生的風(fēng)量一般是進(jìn)氣的10-20倍。當(dāng)進(jìn)行高溫再生,最高溫度可達(dá)到300℃左右,需要在設(shè)計(jì)時(shí)選擇高溫再生型轉(zhuǎn)輪。
02筒式轉(zhuǎn)輪
筒式沸石轉(zhuǎn)輪除了材料加工上的差異,從結(jié)構(gòu)上和盤(pán)式有很大的區(qū)別,利用模塊化沸石材料填充成筒狀結(jié)構(gòu),來(lái)實(shí)現(xiàn)VOCs的吸附濃縮。
結(jié)構(gòu)分區(qū)上沒(méi)有了盤(pán)式的冷卻區(qū),當(dāng)濃縮倍率一樣的話,其脫附能耗高于盤(pán)式轉(zhuǎn)輪。筒式轉(zhuǎn)輪的濃縮倍率最高可以做到50倍,濃縮倍率越高其搭配的燃燒裝置或其他就規(guī)格越小,還有其模塊化沸石,便于安裝和維護(hù),也是設(shè)備的一大特點(diǎn)。
03固定床沸石分子篩
不論筒式轉(zhuǎn)輪或盤(pán)式轉(zhuǎn)輪,其應(yīng)用場(chǎng)景都要求工況具有連續(xù)性。因此在固定床活性炭發(fā)展的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變吸附材料,形成了固定床的蜂窩沸石分子篩吸附床。目前少量應(yīng)用在市場(chǎng)。由于沸石分子篩的特性,其動(dòng)態(tài)吸附容量遠(yuǎn)小于活性炭,且脫附溫度高(250℃左右)。采用固定床系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)的氣密性、固定床的保溫、脫附溫升的控制等方面都加大了系統(tǒng)復(fù)雜。固定床沸石系統(tǒng)的應(yīng)用,還需要積累經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化難點(diǎn)解決方案。
三、總結(jié)
盡管目前沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)已經(jīng)成為全球公認(rèn)的最高效的吸附濃縮技術(shù),也不得不承認(rèn)其本身具備一定的局限性。比如廢氣的組分復(fù)雜,很多工況難以明細(xì)其廢氣的真實(shí)濃度、組分或其濃度、組分具有變化性,沸石的應(yīng)變能力就捉襟見(jiàn)肘。
沒(méi)有萬(wàn)能的設(shè)備或工藝,適合的才是最好的。針對(duì)大風(fēng)量、低濃度,連續(xù)工況,常規(guī)VOCs,轉(zhuǎn)輪的吸附濃縮是最佳的工藝選擇。隨著沸石分子篩、活性炭纖維、樹(shù)脂等吸附材料的研究與發(fā)展,未來(lái)市場(chǎng)的VOCs治理工藝更加繁多,優(yōu)化出合適工況的組合工藝,從投資和運(yùn)行以及安全綜合解決末端VOCs治理問(wèn)題。
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