課程論文-分子篩在氣體分離與凈化中的應(yīng)用

1、分子篩在氣體分離與凈化中的應(yīng)用摘 要：本文主要介紹了分子篩獨(dú)特的吸附性能與吸附機(jī)理；展示了多種分子篩在對(duì)空氣中的主要成分02、N 2、CO 2、H 2O 等氣體進(jìn)行分離時(shí)表現(xiàn)出的不同特性，以及對(duì)有害氣體NO x 和SO 2消除作用；展望了分子篩作為空氣分離與凈化吸附劑的進(jìn)一步發(fā)展情況。 關(guān)鍵詞：分子篩吸附 空氣分離 空氣凈化1 分子篩吸附簡(jiǎn)介沸石分子篩是結(jié)晶硅鋁酸鹽，普通化學(xué)式為M x /n(AlO2x(SiO2y·mH 20，陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的硅鋁氧骨架本身就帶有極性。陽(yáng)離子給出強(qiáng)的正電場(chǎng)，吸引極性分子的負(fù)極中心，或是通過(guò)靜電誘導(dǎo)使可極化的分子極化。極性越強(qiáng)的或越易被極化的分子，也

2、就越容易被沸石吸附。它在氣體分離與凈化過(guò)程中有一些獨(dú)特性能1：（1）晶體三維微孔結(jié)構(gòu)賦予其很高的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性；（2）與活性炭等吸附劑不同，其孔結(jié)構(gòu)均勻一致，孔大小分布單一；（3）通過(guò)不同骨架外陽(yáng)離子交換，可以調(diào)變其孔的尺寸；（4）通過(guò)改變骨架硅鋁比，可調(diào)變其表面極性；（5）與其它類吸附劑相比，即使在較高的溫度和較低的吸附質(zhì)分壓下，仍有較高的吸附容量。當(dāng)沸石分子篩晶體粉末與粘合劑經(jīng)擠壓成型時(shí)，晶體微粒間形成大孔，這些大孔與晶粒自身的微孔構(gòu)成了雙分散二級(jí)孔結(jié)構(gòu)，使其更加符合工業(yè)氣體分離方面的應(yīng)用。影響沸石分子篩氣體吸附分離的因素主要是，沸石分子篩的孔道(尤其是孔口 的幾何因素和沸石分子篩的

3、骨架外陽(yáng)離子產(chǎn)生的電子因素。沸石分子篩能將氣體有效分離的奧妙在于，沸石分子篩通過(guò)離子交換等改善其表面電性和調(diào)變其孔口尺寸，從而使具有微小極性差異的氣體分子分離開(kāi)。 2 分子篩在氣體分離中的應(yīng)用2.1 氧氮分離分子篩富集氧氣，是因?yàn)榈肿雍泄聦?duì)電子而極性大于氧并且有較大的四極矩，因而N 2與沸石骨架中陽(yáng)離子的作用力強(qiáng)2?？諝庵饘油ㄟ^(guò)沸石柱后，氣相中的含氧量逐漸提高，這樣便可得到富氧流出氣。工業(yè)上廣泛采用A 型沸石，用Ca 2+、Sr 2+離子交換后，N 2的吸附容量增大了25；X 型沸石的Ca 2+交換程度達(dá)到95，N 2的吸附選擇性相應(yīng)增加5倍。SrX 型的分離效率比5A 更好。2.2 CH

4、4/N2分離通過(guò)對(duì)4A 分子篩、5A 分子篩、H-絲光沸石及菱沸石上的吸附行為進(jìn)行比較，結(jié)果二者的吸附平衡特征相近，很難實(shí)現(xiàn)有效分離3。天然斜發(fā)沸石經(jīng)各種離子交換后，其CH 4/N2平衡分離選擇比有較大變化，故對(duì)斜發(fā)沸石改性以用于CH 4/N2分離有很大的潛力。而對(duì)于包括斜發(fā)沸石在內(nèi)的三種天然沸石，其中斜發(fā)沸石分離CH 4/N2最優(yōu)，而且在最低溫下，由于氣體混合物與斜發(fā)沸石接觸時(shí)間短而使分離更為有效。2.3 空氣干燥水是極性很強(qiáng)的小分子，因此，沸石對(duì)水有極大的親和力4。與其它干燥劑相比，分子篩在寬廣的操作范圍和動(dòng)力學(xué)下具有干燥高效率：吸附容量高、吸附速度快、熱穩(wěn)定性好。工業(yè)上大量使用4A 、5

5、A 和l3X 型沸石作為干燥劑。25°C 時(shí)對(duì)水蒸氣的吸附量表現(xiàn)為l3X>4A>5A。一般用加熱再生沸石。包括加熱、沖洗和冷卻三個(gè)步驟，溫度在180350°C 之間。為防止高濃度的水蒸氣在高溫下破壞沸石結(jié)構(gòu)，加熱時(shí)必須用氮?dú)饣蚩諝鉀_洗。經(jīng)2000次再生處理之后，沸石吸附容量?jī)H下降30左右。3 分子篩在氣體凈化中的應(yīng)用3.1 氮氧化物燃料燃燒排放的大氣污染物中，危害大且又比較難處理的是NO x 。NO x 可引起酸雨、臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧等一系列環(huán)境問(wèn)題。分子篩催化劑對(duì)選擇性還原NO x 具有高的催化活性，并且活性溫度范圍比較寬5。早在20世紀(jì)90年代

6、初就引起人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，離子交換的分子篩催化劑，分子篩的孔結(jié)構(gòu)、硅鋁比以及金屬離子的性質(zhì)和交換率對(duì)其催化還原NO x 的活性有顯著的影響，此外，在分子篩中引入稀土離子以及堿土金屬離子對(duì)催化劑的催化活性也有影響。3.2 二氧化硫二氧化硫是大氣中最主要的污染物之一，其危害大，影響面廣，數(shù)量大，治理難度也大。二氧化硫隨煙氣排入大氣后會(huì)形成酸雨，造成環(huán)境污染，破壞農(nóng)業(yè)林業(yè)，水中生物等生態(tài)系統(tǒng)，并危害人類健康和建筑物。通過(guò)將l3X 分子篩用金屬離子OM 處理，在SO 2(780-800×10-6下對(duì)SO 2的吸附率達(dá)到100，且防護(hù)時(shí)間為40min 6。SO 21200×1

7、0-6吸附率99的防護(hù)時(shí)間為30min 。該吸附劑特點(diǎn)是，吸附SO 2過(guò)載失效后，吸附劑顏色發(fā)生變化，故可指示吸附劑是否有效，有較好的實(shí)用性。3.3 二氧化碳人們已經(jīng)意識(shí)到CO 2對(duì)大氣環(huán)境有著嚴(yán)重危害，因此，引起了人們對(duì)CO 2的重視。堿洗法除CO 2所需要的設(shè)備龐大，操作復(fù)雜，費(fèi)用昂貴7。LiY 沸石膜表現(xiàn)了最高的N 2透過(guò)性和最低的CO 2/N2選擇性；KY 沸石膜擁有最高的CO 2/N2選擇性；NaY 沸石膜在空氣中400°C 仍穩(wěn)定。與NaY 沸石膜相比，NaX 沸石膜隨著n(SiO2/n(Al203 合成比的降低表現(xiàn)出更低的CO 2透過(guò)率和更高的CO 2/N2選擇性。后來(lái)

8、，研究學(xué)者又將水熱合成的NaY 沸石膜分別與0.1mol/L的KC1、RbC1、CsC1溶液進(jìn)行離子交換，增加了CO 2/N2透過(guò)選擇性，因?yàn)檫x擇系數(shù)在二元混合物中比單一物種體系高。4 結(jié)束語(yǔ)分子篩是用于氣體分離的優(yōu)良吸附劑。各種分子篩在對(duì)02、N 2、CO 2、H 2O 等氣體進(jìn)行分離時(shí)表現(xiàn)出不同的性能和專長(zhǎng)。目前工業(yè)應(yīng)用的較多的是A 型、X 型、Y 型、絲光沸石以及幾種天然沸石，但ZSM-5、SAPO 、VIP-5等可能有更為廣闊的應(yīng)用前景。分子篩作為催化劑在一定試驗(yàn)條件下具有相當(dāng)好的催化活性和相當(dāng)高的N 選擇性，但高溫和水蒸氣會(huì)造成其活性的降低。目前該類催化劑的研究重點(diǎn)在于確定反應(yīng)的真正

9、機(jī)理、活性中心的氧化態(tài)和反應(yīng)中間體的形態(tài)以及酸度對(duì)分子篩機(jī)構(gòu)的作用等。另外，如何使分子篩抵制高溫和水蒸氣所造成的催化劑失活，以及發(fā)展具有較低活化溫度的分子篩型催化劑，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 參考文獻(xiàn)1 候梅芳, 崔杏雨, 李瑞豐. 沸石分子篩在氣體吸附分離方面的應(yīng)用研究J.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 32(2: 135-139.2 顧飛龍, 張力鈞, 陳棟. 變壓吸附制氮技術(shù)及其應(yīng)用J. CHEMICALINDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS, 2007, 26(9: 1356.3 郭璞, 李明. 煤層氣中 CH4/N2 分離工藝研究進(jìn)展J. 化工進(jìn)展, 2008,27(7: 963-967.4 李季明, 譚躍進(jìn). 13X 型分子篩用于高壓空氣干燥時(shí)吸附極限露點(diǎn)的測(cè)定J.流體機(jī)械, 2002, 30(1: 1-8.5 杜琰, 謝鮮梅, 王志忠. 氮氧化物 NOx 的催