煤气化渣脱硅液合成VOCs吸附用ZSM-5分子筛工艺研究

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ZSM-5分子筛是一种多孔铝硅酸盐分子筛,因其独特的孔道结构所以具有良好的水热稳定性、不易燃性和可再生性等优点,在环境保护方面可以作为去除挥发性有机化合物(VOCs)的高效吸附剂。煤气化渣是一种典型大宗煤基固废,年产量超过3300万吨。由于煤气化渣中富含Si O2等可利用性资源,可用于合成ZSM-5分子筛等高附加值材料。当前合成ZSM-5分子筛的方法存在原料成本高和制备周期长等问题,研究高效低成本合成ZSM-5分子筛具有重要意义。本论文提出了以煤气化渣脱硅液作为主要原料通过水热和微波两种方法制备ZSM-5分子筛的工艺路线,完成了工艺条件优化,进一步验证了最优条件下制得的ZSM-5分子筛对VOCs的吸附效果。主要研究内容和结论如下:(1)开展了以煤气化渣脱硅液为主要硅源和钠源,水热合成VOCs吸附用的ZSM-5分子筛的研究。将煤气化渣脱硅液与铝源、模板剂和ZSM-5分子筛晶种混合后在水热釜中进行晶化反应,考察并优化了反应时间、反应温度、Na2O/Si O2摩尔比和Si O2/Al2O3摩尔比对ZSM-5分子筛的相对结晶度和比表面积的影响,得到最佳反应条件为:12 h,170℃,Na2O/Si O2摩尔比为0.2,Si O2/Al2O3摩尔比为200。在此条件下合成的ZSM-5分子筛为六棱柱状,晶粒规整,相对结晶度为101.48%,比表面积为337.48 m~2·g-1,孔容为0.190 cm~3·g-1。ZSM-5分子筛的吸附评价实验中对对二甲苯、苯、甲苯以及乙酸丁酯的静态饱和吸附量分别为118.85、69.98、68.74和95.85 mg·g-1,说明采用水热法合成的ZSM-5分子筛对这四种VOCs可以实现有效的吸附。该方法制备工艺简单,合成时间较短,同时实现了煤气化渣中硅组分的高值化利用,易实现规模化生产,具有工业化应用的前景。(2)为了进一步缩短反应时间,开展了煤气化渣脱硅液一步微波法合成ZSM-5分子筛的工艺研究以及对VOCs的吸附评价。按照投料比将脱硅液、铝源、模板剂和晶种混合均匀后通过微波快速晶化制备得到ZSM-5分子筛。考察并优化了微波反应时间、反应温度、Na2O/Si O2摩尔比和Si O2/Al2O3摩尔比对ZSM-5分子筛的相对结晶度和比表面积的影响,得到最佳的反应条件为:4 h,180℃,Na2O/Si O2摩尔比为0.2,Si O2/Al2O3摩尔比为200。在此条件下合成的ZSM-5分子筛为六棱柱状、晶体表面光滑、晶粒大小均匀,相对结晶度为103.5%,比表面积为344.27 m~2·g-1,孔容为0.196 cm~3·g-1。对VOCs的吸附评价实验结果表明,ZSM-5分子筛对对二甲苯、苯、甲苯以及乙酸丁酯的静态饱和吸附量分别为106.84、63.83、58.85和115.47 mg·g-1,对对二甲苯和乙酸丁酯的动态吸附量分别为为81.44和176.14mg·g-1。ZSM-5分子筛对对二甲苯和乙酸丁酯的吸附动力学拟合表明,二者均遵循伪一级动力学模型,在吸附过程中物理吸附起主导作用。使用微波法进行分子筛晶化,大幅缩短了反应时间、且制备出的ZSM-5分子筛产物具有良好的物理和化学性能。同时,为利用煤气化渣脱硅液短流程、快速制备VOCs吸附用ZSM-5分子筛提供了绿色可行的工艺路线。
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