利用粉煤灰制备多级孔ZSM-5分子筛/聚合物复合材料及其吸附VOCs的研究

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本研究以煤化工典型固废粉煤灰为原料制备具有优良吸附性能的多级孔ZSM-5分子筛,以加快传质速率、提升吸附效率,实现对苯系VOCs的高效吸附,系统研究吸附性能并探讨相关吸附机理;选择具有大孔结构、与无机材料相容性好、机械性能好的聚合物(聚乙烯二氟化物)与上述分子筛复合,在保证分子筛吸附效率的基础上解决粉末状分子筛吸附时压降大的问题,以提升其实际使用性能,旨在尝试发现一种粉煤灰高效、高附加值综合利用的新方法。首先,将粉煤灰采用分级处理的方式进行处理,以提取可用元素Si、Al;利用提取的硅(Si)、铝(Al)利用双模板-水热法制备多级孔ZSM-5沸石分子筛,探究结晶温度、结晶时间以及Na/Si比对ZSM-5沸石分子筛结晶过程的影响,用正交表确定最佳的制备条件;将制备的多级孔ZSM-5与聚乙烯二氟化物复合制备多级孔ZSM-5/聚合物复合材料,将多级孔ZSM-5沸石分子筛和多级孔ZSM-5分子筛/聚合物复合材料用于对典型VOCs如苯和二甲苯的吸附研究,探究吸附机理。利用XRF,SEM,EDS,XRD,BET等手段对粉煤灰、粉煤灰提取物、制备的ZSM-5样品进行一系列表征和分析,对多级孔ZSM-5沸石分子筛以及多级孔ZSM-5沸石分子筛/聚合物复合材料对苯和二甲苯的吸附结果进行动力学和热力学模拟,结果表明:所选用的粉煤灰中的Si O2含量为48.52%,Al2O3含量为33.59%,并且富含Fe2O3(5.66%),由于SiO2,Al2O3和FeO总含量之和要超过70%,因此,将本文所选用的粉煤灰归为F类;通过对碳酸钠和盐酸用量进行对比,综合考虑提取率和实验成本,确定最佳的合成条件为:CFA:Na2CO3=1:0.8,CFA:HCl=1:8,900℃下煅烧4h,SiO2和Al(OH)3的提取率分别为94.89%和87.26%;提高晶化温度可以加快分子筛晶体的成核和生长速度,如果结晶温度太高,则抑制成核;特征峰随合成时间的增加而增强,如果时间不足,沸石晶化不完全,时间过长,则沸石可能转晶;不同水热条件下,ZSM-5沸石的结晶曲线呈“S”型,分三个阶段,(1)“诱导期”;(2)“成核期”;(3)“晶体生长时期”;钠离子不足会影响结晶速率,如果过量,就会合成其他类型沸石(丝光沸石);利用L934正交表寻找最佳的合成条件是:在SiO2:Al2O3:Na2O:CTAB:TPABr:H2O=1:0.02:0.5:0.05:0.17:50摩尔组成下160℃晶化48h,并对其BET分析表明其内部含有微孔和介孔结构,证明了成功合成多级孔ZSM-5分子筛;多级孔ZSM-5沸石分子筛对苯和二甲苯的饱和吸附量分别为0.264 g/g和0.303 g/g,对苯和二甲苯的吸附分别符合Freundlich热力学模型和Pseudo-first-order动力学模型,多级孔ZSM-5沸石分子筛对苯和二甲苯的吸附是以物理吸附和多层吸附为主;多级孔ZSM-5分子筛/聚合物复合材料对苯和二甲苯的饱和吸附量分别为0.134 g/g和0.162 g/g,对苯和二甲苯的吸附分别Freundlich热力学模型和Pseudo-first-order动力学模型,复合材料对苯和二甲苯的吸附也是以物理吸附和多层吸附为主。
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