课程论文-分子筛在气体分离与净化中的应用

分子筛在气体分离与净化中的应用摘要：本文主要介绍了分子筛独特的吸附性能与吸附机理；展示了多种分子筛在对空气中的主要成分02、N2、CO2、H2O等气体进行分离时表现出的不同特性，以及对有害气体NOx和SO2消除作用；展望了分子筛作为空气分离与净化吸附剂的进一步发展情况。关键词：分子筛吸附空气分离空气净化1分子筛吸附简介沸石分子筛是结晶硅铝酸盐，普通化学式为Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]·mH20，阳离子和带负电荷的硅铝氧骨架本身就带有极性。阳离子给出强的正电场，吸引极性分子的负极中心，或是通过静电诱导使可极化的分子极化。极性越强的或越易被极化的分子，也就越容易被沸石吸附。它在气体分离与净化过程中有一些独特性能[1]：（1）晶体三维微孔结构赋予其很高的热稳定性和水热稳定性；（2）与活性炭等吸附剂不同，其孔结构均匀一致，孔大小分布单一；（3）通过不同骨架外阳离子交换，可以调变其孔的尺寸；（4）通过改变骨架硅铝比，可调变其表面极性；（5）与其它类吸附剂相比，即使在较高的温度和较低的吸附质分压下，仍有较高的吸附容量。当沸石分子筛晶体粉末与粘合剂经挤压成型时，晶体微粒间形成大孔，这些大孔与晶粒自身的微孔构成了双分散二级孔结构，使其更加符合工业气体分离方面的应用。影响沸石分子筛气体吸附分离的因素主要是，沸石分子筛的孔道(尤其是孔口)的几何因素和沸石分子筛的骨架外阳离子产生的电子因素。沸石分子筛能将气体有效分离的奥妙在于，沸石分子筛通过离子交换等改善其表面电性和调变其孔口尺寸，从而使具有微小极性差异的气体分子分离开。2分子筛在气体分离中的应用2.1氧氮分离分子筛富集氧气，是因为氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩，因而N2与沸石骨架中阳离子的作用力强[2]。空气逐层通过沸石柱后，气相中的含氧量逐渐提高，这样便可得到富氧流出气。工业上广泛采用A型沸石，用Ca2+、Sr2+离子交换后，N2的吸附容量增大了25％；X型沸石的Ca2+交换程度达到95％，N2的吸附选择性相应增加5倍。SrX型的分离效率比5A更好。2.2CH4/N2分离通过对4A分子筛、5A分子筛、H-丝光沸石及菱沸石上的吸附行为进行比较，结果二者的吸附平衡特征相近，很难实现有效分离[3]。天然斜发沸石经各种离子交换后，其CH4/N2平衡分离选择比有较大变化，故对斜发沸石改性以用于CH4/N2分离有很大的潜力。而对于包括斜发沸石在内的三种天然沸石，其中斜发沸石分离CH4/N2最优，而且在最低温下，由于气体混合物与斜发沸石接触时间短而使分离更为有效。2.3空气干燥水是极性很强的小分子，因此，沸石对水有极大的亲和力[4]。与其它干燥剂相比，分子筛在宽广的操作范围和动力学下具有干燥高效率：吸附容量高、吸附速度快、热稳定性好。工业上大量使用4A、5A和l3X型沸石作为干燥剂。25°C时对水蒸气的吸附量表现为l3X4A5A。一般用加热再生沸石。包括加热、冲洗和冷却三个步骤，温度在180~350°C之间。为防止高浓度的水蒸气在高温下破坏沸石结构，加热时必须用氮气或空气冲洗。经2000次再生处理之后，沸石吸附容量仅下降30％左右。3分子筛在气体净化中的应用3.1氮氧化物燃料燃烧排放的大气污染物中，危害大且又比较难处理的是NOx。NOx可引起酸雨、臭氧层破坏、温室效应、光化学烟雾等一系列环境问题。分子筛催化剂对选择性还原NOx具有高的催化活性，并且活性温度范围比较宽[5]。早在20世纪90年代初就引起人们的广泛关注。研究发现，离子交换的分子筛催化剂，分子筛的孔结构、硅铝比以及金属离子的性质和交换率对其催化还原NOx的活性有显著的影响，此外，在分子筛中引入稀土离子以及碱土金属离子对催化剂的催化活性也有影响。3.2二氧化硫二氧化硫是大气中最主要的污染物之一，其危害大，影响面广，数量大，治理难度也大。二氧化硫随烟气排入大气后会形成酸雨，造成环境污染，破坏农业林业，水中生物等生态系统，并危害人类健康和建筑物。通过将l3X分子筛用金属离子OM处理，在SO2(780-800)×10-6下对SO2的吸附率达到100％，且防护时间为40min[6]。SO21200×10-6吸附率99％的防护时间为30min。该吸附剂特点是，吸附SO2过载失效后，吸附剂颜色发生变化，故可指示吸附剂是否有效，有较好的实用性。3.3二氧化碳人们已经意识到CO2对大气环境有着严重危害，因此，引起了人们对CO2的重视。碱洗法除CO2所需要的设备庞大，操作复杂，费用昂贵[7]。LiY沸石膜表现了最高的N2透过性和最低的CO2/N2选择性；KY沸石膜拥有最高的CO2/N2选择性；NaY沸石膜在空气中400°C仍稳定。与NaY沸石膜相比，NaX沸石膜随着n(SiO2)/n(Al203)合成比的降低表现出更低的CO2透过率和更高的CO2/N2选择性。后来，研究学者又将水热合成的NaY沸石膜分别与0.1mol/L的KC1、RbC1、CsC1溶液进行离子交换，增加了CO2/N2透过选择性，因为选择系数在二元混合物中比单一物种体系高。4结束语分子筛是用于气体分离的优良吸附剂。各种分子筛在对02、N2、CO2、H2O等气体进行分离时表现出不同的性能和专长。目前工业应用的较多的是A型、X型、Y型、丝光沸石以及几种天然沸石，但ZSM-5、SAPO、VIP-5等可能有更为广阔的应用前景。分子筛作为催化剂在一定试验条件下具有相当好的催化活性和相当高的N选择性，但高温和水蒸气会造成其活性的降低。目前该类催化剂的研究重点在于确定反应的真正机理、活性中心的氧化态和反应中间体的形态以及酸度对分子筛机构的作用等。另外，如何使分子筛抵制高温和水蒸气所造成的催化剂失活，以及发展具有较低活化温度的分子筛型催化剂，也是当前的研究热点。参考文献[1]候梅芳,崔杏雨,李瑞丰.沸石分子筛在气体吸附分离方面的应用研究[J].太原理工大学学报,2001,32(2):135-139.[2]顾飞龙,张力钧,陈栋.变压吸附制氮技术及其应用[J].CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS,2007,26(9):1356.[3]郭璞,李明.煤层气中CH4/N2分离工艺研究进展[J].化工进展,2008,27(7):963-967.[4]李季明,谭跃进.13X型分子筛用于高压空气干燥时吸附极限露点的测定[J].流体机械,2002,30(1):1-8.[5]杜琰,谢鲜梅,王志忠.氮氧化物NOx的催化消除[J].太原理工大学学报,2003,34(5):535-539.[6]张宪成,王泽霖.吸附剂净化SO2和NO2气体的研究[J].环境保护,1995(10):13-14.[7]方建慧,沈霞.分子筛对微量二氧化碳的吸附[J].离子交换与吸附,1999,15(2):190-193.