深入了解柱状沸石分子筛

一、沸石的结构及特性

沸石是沸石族矿物的总称，是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿石。已经发现的沸石有36种，它们的共同特点就是具有架状结构，就是说在它们的晶体内，分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多的空腔。

沸石具有吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能，因此被广泛用作吸附剂、离子交换剂和催化剂，也可用于气体的干燥、净化和污水处理等方面。

二、工作原理

沸石转轮浓缩催化燃烧法处理有机废气的工作原理是：含VOCs废气进入沸石转轮，此时废气中VOCs绝大部分被转轮上的沸石吸附，而使废气中VOCs的含量大幅降低，从而成为较洁净的气体，达标排放至大气中，经过转轮吸附再高温脱附出来的废气就变成高浓度的VOCs气体，可降低后续处理程序的操作成本。利用沸石浓缩转轮将大风量、低浓度的废气浓缩为小风量、高浓度的废气，再以催化燃烧的方式，将有机组分转化为无害的CO2和H2O，以达到去除VOCs的目的。

沸石转轮热力燃烧处理工艺，特别适用于处理大风量、低浓度有机废气，可以有效提高处理效率、降低运行成本，VOCs去除效率可达到90%以上，有的甚至能达到99%以上。

沸石转轮吸附的目的是为了将VOCs废气从大风量浓缩到小风量高浓度。在小风量情况下，高浓度的VOCs气体将更高效地被燃烧炉处理。含VOCs的废气在经过旋转转轮处理区的时候被收集，当气体过了转轮后，VOCs就被转轮上的吸附介质吸附从而得到去除。

等转轮转到脱附区域时，附着在转轮上的VOCs被连续的高温及低流量脱附气体从反方向解吸收，高浓缩的VOCs气体从转盘中脱离并送到燃烧炉进行燃烧处理。旋转转轮经过脱附区域，经过低温再生再次转到处理区，对VOCs废气进行吸附净化。

经净化的VOCs废气一小部分通过加温进入脱附区，对吸附介质进行再生。大部分已净化气体进入燃烧炉的换热器中，从低温气体转换为高温气体，并输送到车间供设备烘干使用。多余的已净化气体则与经燃烧处理后的气体通过排气筒排放。

燃烧炉的用途是对经转轮脱附出来的高浓度VOCs气体进行燃烧氧化处理，同时利用换热器对经转轮净化处理的气体进行加温。

从污染源末端治理减排的角度来看，结合具体生产排放工况，设计选择高效的 VOCs 治理工艺显得尤为重要。

今年“十四五”大幕已经拉开，其中围绕着空气质量改善和主要污染物减排，臭氧的两项前体物VOCs和氮氧化物作为重要的减排目标，要实现此两类污染物的减排目标，势必需要深化工业源减排及进一步加强交通和生活源减排。

针对大风量、低浓度 VOCs 废气治理，为减少能耗，提高治理效率，通常采用吸附浓缩结合氧化燃烧的方式，将VOCs最终分解为二氧化碳和水，并回收热量，节能减排。

其中，沸石分子筛固定床/沸石分子筛转轮+RTO/ RCO/CO /换热式燃烧炉组合工艺因治理效果好、安全可靠、吸附剂使用寿命长等优势，目前已逐渐被广泛认可并使用，在很多安全性要求高的行业中，已成为替代基于活性炭吸附浓缩+氧化燃烧的主流工艺。

沸石分子筛转轮工艺起源于上世纪80-90 年代的欧美日国家，被广泛应用于废气进口浓度波动不大且连续运行的大风量低浓度工况。

沸石分子筛固定床由于采用固定床型式，在分子筛吸附剂的型式、布置、容量、过风面积等方面可以实现更灵活的设计需要，对工况连续性和废气浓度波动性具有更好的适应性，在很多场合也越来越显示出独特的优势。

以上两种废气治理工艺都具有如下优势：

(1)净化效率高，可达95%以上;

(2)设备稳定性强;

(3)安全性高，脱附无溶剂残留，同时材料本身为无机材料，杜绝着火隐患;

(4)材料寿命长;

(5)设备占地面积小;

(6)设备运行成本低。

沸石分子筛的来源

沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(Si O2)y]·zH2O。M 代表阳离子，m 表示其价态数，z 表示水合数，x 和 y 是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成笼形结构。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔(也称“窗口”)相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。沸石分子筛在自然界中即可存在，人工大量合成是从上世纪70年代开始。

图 1 某种改性柱状沸石分子筛结构

沸石分子筛的特性

沸石分子筛是一种常见的硅铝酸盐晶体材料。(也包括纯硅、磷铝、硅 磷铝以及部分其他杂原子取代的类似结构的晶体材料。)同时具有规则的 微孔骨架结构(孔道直径一般小于2nm择形效应)，较大的比表面积。(一般为200~900m2/g,良好的载体)，较好的水热稳定性(结晶度高、耐热处理、水蒸气处理)，较强的 Bronsted 耐酸性(一般酸性近强酸，Lewis 酸性位较少)等特性。因此该类材料不仅被广泛的用于石油精炼和石油化工 的多个过程中，也广泛应用于催化、吸附和离子交换等领域中，并起着不可替代的作用。

到 目 前 为 止 ， 国 际 分 子 筛 协 会( IZA,International Zeolite Association)总共报道了232种基本的沸石骨架类型，而其中用于工业生产 的只有不到20种，例如(部分常用的沸石骨架结构及类型)：FAU(Y 沸石)、 MFI(ZSM-5)、BEA(beta 沸石)、MOR(丝光沸石)、LTL(L 沸石)、FER (镁碱沸石)、MTW(ZSM-12沸石)等。

柱状沸石分子筛以多种分子筛均衡搭配吸附组分,采用挤出式制备工艺,使有效组分均匀分散在柱状沸石里面,添加多孔材料有效扩大有机气体与VOCs气体接触面积,提高柱状沸石吸附效果。有替代蜂窝活性炭、安全不着火、吸附效率高、使用寿命长、机械强度高、防水疏水的特点。

柱状沸石分子筛说明：

● 在装填完柱状沸石后，先使用新鲜的热空气进行柱状沸石进行脱附，脱附时间适当延长当柱状沸石脱附后，降温至常温后开始吸附。

● 柱状沸石适合使用温度范围在20-50℃，控制吸附温度越低，吸附效果越好

● 进入柱状沸石的废气需提前进行预处理,比如粉尘、焦油等 的引入堵塞,废气中不能含有容易自身反应的有机，反应后容易堵塞 柱状微孔，使得柱状沸石失效。

● 柱状沸石属于疏水性沸石，控制废气湿度低于 80%条件下进行吸附。脱附温度控制在 200℃以上,根据不同的物质适当的调整脱附温度,延长沸石使用寿命。

为什么要做成“柱状”？

1.降低床层压降：粉末会严重堵塞气流通道，压降极大。柱状颗粒形成了规则、稳定的床层空隙，允许流体(气体或液体)以较低的阻力通过。

2.提高机械强度：抵抗装填、运行过程中因气流冲击、自身重力、温度压力变化引起的磨损、破碎，保证床层结构稳定，避免产生粉末堵塞下游。

3.便于操作：易于用自动化设备进行装填、卸出和再生。是固定床吸附/反应器的标准填料形式。

4.优化传质和传热性能：一定的形状和尺寸有利于流体分布、物质扩散和热量传递。

分子筛在大气污染治理中的应用。

1.对 N Ox 的 去 除

氮氧化物(NOx)是目前大气污染物的主要组成，它能够通过呼吸道进 入人体，对健康造成严重的危害，也是酸雨形成的主要原因。近年来，选 择吸附法用于净化空气已经受到了广泛关注，其中分子筛作为吸附 剂吸附 NOx 的研究也越来越多。

2.V O C s 的 去 除

挥发性有机污染物(VOCs)包括烃类、醇类、醛类、酸类、酮类和胺 类等，这类有机污染物能够通过呼吸道直接进入人体，对人体器官造成暂时性的伤害。虽然 分子筛在石油化工等领域已经有了广泛 应用，但在 VOCs 吸附领域研究尚不多。而 ZSM-5 分子筛作为一种新型的吸 附材料，其孔径与大部分 VOCs 的动力学直径相当，因此可以有效地吸附废气中的 VOCs，进而净化空气。