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沸石转轮浓缩焚化系统的转轮制备工艺

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1 活性炭吸附剂简介
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© 环保之家[2tech.cn]8 B1 b/ q+ V$ v, P5 u$ j5 N一般在选用活性炭时,除须考虑使用类别外,例如:气象或液相之应用,尚须针对处理对象之性质等作特性之考虑。一般而言,在气象应用中,活性炭洗脱附处理以较适合中等分子量中低沸点且疏水性(低极性)化合物,例如:碳氢化合物、醇类(甲醇例外)、有机氯化物、脂肪酸类、酚类、酮类、脂类等活性炭均有很强的吸附能力;但对于硫化氢、二氧化硫、氯、甲醛、氨基酸类等化合物活性炭之吸附能力很差,除非含浸酸或碱级金属盐加以改质,方可达到较好之效果。通常活性炭之参考规格有:比表面积、孔洞体积、四氯化碳吸附值、碘值、含水率等
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© 环保之家[2tech.cn]- n9 M" M1 u5 r, P) l- L( [(一)粒状活性炭
© 环保之家[2tech.cn]" J4 U2 [; x  G/ E) k4 K3 F; l1 s) U粒状活性炭依形状不同又可分为破碎状、圆柱状及球状等三种,一般来说其吸附能力较粉末活性炭小,但因颗粒尺寸较大较无压力下降之问题,而且具有可以再生的优势,所以一直是使用较为广泛的一种。, H! D( Z& o: L; Q7 M© 2tech.cn
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(二)纤维活性炭  ^" {( a* o. i: {. }! q© 2tech.cn
纤维活性炭系利用酚系、丙烯氰系等原料合成,主要目的是揉和粉末活性炭高表面积、高吸附能力及压降小、可再生之优点,而且具有独特的强度,通常其吸附能力也颇好。一般应用上有固定床式和转轮或转环式,一般来说纤维活性碳的填充重量只有粒状活性碳的1-10%左右,间接减少了碳床累积之着火之危险。
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活性碳再生一般以水蒸气脱附再生,若吸附质为含氯VOCs时,采用水蒸气可能会发生水解反应,而使回收之含氯VOCs发生改变,影响脱附产物之纯度及再生活性碳之吸附效能。) `+ ?! d0 I/ y. Z% ^6 |4 ^) f9 p© 2tech.cn
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© 环保之家[2tech.cn]' a& }. ~; @- a6 h8 j* r, ~2 沸石吸附剂的优势
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相较于传统活性炭吸附剂,疏水性沸石具有以下优点:
© 环保之家[2tech.cn]- P& `, _7 v0 d1 |& R(1)不具可燃性:沸石为无机化合物二氧化硅等所组成,故不会发生反应性吸附质于吸附过程中着火之事;
© 环保之家[2tech.cn]5 ^! k# W; L9 P$ D4 E5 e- j+ K% g# {(2)可处理不同种类的溶剂,包括高沸点物质;
© 环保之家[2tech.cn]' {# H+ D9 [3 i( c(3)有效吸附程度可在较宽长的吸附质进流浓度范围内达成;
© 环保之家[2tech.cn]$ l9 h9 u* U+ O& ^9 T8 }(4)不会引发溶剂聚合或反应:疏水性沸石含有之金属微量杂质相当少,不会使一些高反应溶剂发生氧化或聚合反应。7 K; @0 P. F( Z' A+ L0 d  v$ S: a© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]. f2 `$ ]% z; ^  E8 ]9 [. g传统上沸石为一亲水性(hydrophilic)吸附剂,此主要是Si/Al比值通常为1-5;换言之,沸石的特性与其Si/Al比或SiO2/Al2O3比有重大关联性。沸石从亲水性转变为疏水性之Si/Al比值至少需8-10以上,所以含高硅含量之沸石疏水性愈高。
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3 中空状沸石制备方式
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© 环保之家[2tech.cn]+ F0 c& A: q* Z. O吸附剂之制备方式分为五大步骤:' l7 p' ?5 H8 ?, d6 }© 2tech.cn
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(1)沸石(zeolite)与粘合剂(binder)均匀混合;4 O2 J. Z- D- W0 V6 u' w  g" p# O7 Q© 2tech.cn
(2)胶化(gelling);
© 环保之家[2tech.cn]. T% x6 A  W" R# \$ h1 h5 B: R! X(3)成型(forming);
© 环保之家[2tech.cn]* o" Z; y/ u$ {. l1 B6 O# C7 k(4)干燥(drying);
© 环保之家[2tech.cn]8 o/ }1 J9 u  S( G(5)煅烧(calcine)。0 a2 C/ o- Q3 Z" ?" T- I© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]! H+ K9 y) q7 Q首先利用二氧化硅为粘合剂,将沸石与二氧化硅均匀混合,再慢慢加入调制好之碱性溶液(NaOH),此时会慢慢形成胶状体,再经由搅拌机搅拌、揉合成面团状,最后放入挤压成型机中制成中空圆柱状之沸石吸附剂。制作出的吸附剂先放入烘箱中去除水份,再以450℃煅烧4小时,此时沸石吸附剂便制作完成。
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© 环保之家[2tech.cn]  {$ `5 n: C* I9 z4 沸石吸附剂的选取
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沸石是具有分子大小孔洞通道的多空性结晶固体,又称分子筛,其主要结构是以硅八面体(SiO4)所构成之三维空间晶体。在沸石结构中,有些硅可被三价铝同构置换,于是整个结构由SiO4和AlO4配合碱金属、碱土金属或稀土金属组成之硅铝酸盐之晶体结构。! d3 k( N/ C1 |/ G/ D" ]© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]. u1 e# P5 t) N& {该结构之基本单元为以硅或铝为中心,其中SiO4和AlO4是以各种则之排列方式,共有氧原子为四角而结合在一起之四面体,由于其堆积方式之不同,因而形成各种不同沸石。硅在被三价铝取代时,不平衡的电价可由一价或二价的阳离子平衡,主要是钙、镁、钾、钠。, L/ ^5 S7 v) U  A© 2tech.cn
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© 环保之家[2tech.cn]0 [  X4 A8 y) d/ a+ c沸石的硅铝比不可小于1,但没有上线。高硅铝比沸石具有疏水性,其吸附性质与一般含富铝沸石大不相同,它对水和其他极性分子亲和力很低。因此选择适当硅铝比,孔隙架构和阳离子形式,可制造出各种吸附性质大不相同的沸石。
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从结构来看,ZSM-5的硅铝比可由12改变至纯硅的silicalite。硅铝比从1变至∞,热稳定性随之增加,表面性质从亲水性变成疏水性,酸性中心的强度会增加但酸量会减少。% O' c5 ?+ b) a2 m8 i+ G1 f# J0 ^* K© 2tech.cn

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与其它吸附剂比较,沸石因具有晶体结构呈现均一整齐的孔洞直径,且这些孔洞具有很大的内表面积,可大量吸附和储存分子。沸石亦属于一种离子型吸附剂,可根据分子大小和极性不同做选择性吸附。
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ZSM型沸石系由一系列含丰富硅质沸石所组成,其结构是以;两个五元环单元形成之单层结构,单层再以不同顺序堆叠,可以得到不同的孔道结构:(1)ZSM-5和(2)ZSM-11.其孔道特征为10个氧环,其自由直径约为6Å的沸石。其典型的硅铝比约为30,但可能大幅变化,特征为具有高热稳定性及水热稳定性,并具有许多的触媒特性,另其亦可用来吸附废气或废水中的有机物。8 e) O7 j" @) s) a9 w. a2 o© 2tech.cn
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Mobil公司在1972年所开发命名为ZSM-5的人工沸石,一为5.4×5.6Å,另一为5.4×5.6Å,其硅铝比为10-5000。ZSM-5沸石不仅拥有一般高硅铝比沸石所拥有的特质,还具有亲脂而疏水的特性,这种特质使得ZSM-5沸石比较喜欢吸附非极性的分子物质。
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© 环保之家[2tech.cn]) E; g2 c2 h) w$ I, }沸石孔径单一均匀,如ZSM-5分子筛孔径约为6 Å,则孔径只能吸附直径6 Å以下的分子,较大分子无法进入孔隙,只能依赖表面吸附,故表现出形状选择性;另一方面,活性炭的孔径相对于沸石而言分布较广,故孔隙内可吸附直径大的分子和直径小的分子8 N1 x+ n6 A8 |* C; F( W6 F8 k© 2tech.cn
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© 环保之家[2tech.cn]0 G1 R9 s/ e1 w7 W0 U; H  J以新沸石浓缩转轮原有组成而言,系含60-70%(wt)之陶瓷纤维(ceramic fiber),为一蜂巢状成形基材(substrate),而另外30­­­­­­­­­­­­­­­-40%(wt)则是沸石粉末长晶附着于基材上,其主要成分为硅及铝。由于沸石转轮包含了大部分具有大量中孔的陶瓷纤维基材故沸石转轮样品对IPA及PGMEA之饱和吸附率并不符合Langmuir等温吸附方程式。
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5沸石转轮之制作程序3 A; x' X9 v8 g5 b© 2tech.cn
沸石转轮之制作程序如图4.2-1所示,首先,陶瓷纤维纸(Ceramicfiber)经加上粘着剂(Binder)等后透过特殊控温成型滚轮模具加以成形(Corrugation)为蜂巢状(Honeycomb)半成品,此时若欲成型为转轮(Rotor)型式,则将成形之蜂巢状陶瓷纤维滚成圆盘状(Rotor disc type),若欲成型为长方块状(Block type),则将其依次堆叠成型为长方块状即可;接着加以400-500℃之高温烧结数小时,此时半成品中之有机物几乎完全逸散而仅剩陶瓷纤维无机基材,烧结后陶瓷纤维无机基材加以含浸(Impregnation & wash coating)吸附剂粉末,并加以70-250℃之烘干即告完成。
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图4.2-2所示之粉末状疏水性沸石吸附剂,其中左侧沸石吸附剂之硅铝比较高且适用于无极性或弱极性有机物之吸附,右侧沸石吸附剂之硅铝比则较低而适用于极性有机物之吸附;图4.2-3­—4.2-5依序显示转轮陶瓷基材成形后烧结前纵切局部照片、转轮含浸疏水性沸石粉末并烧结后之局部照片以及其局部放大照片。# W" J3 [7 [" q  j; X2 c© 2tech.cn
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