【摘要】：工業(yè)生產車間排放的揮發(fā)性有機化合物(VOCs)廢氣大多數是由生產過程中有機溶劑的揮發(fā)造成的,具有風量大、濃度低、濕度高等特點。采用吸附法處理該類型的工業(yè)廢氣具有去除率高、可實現有機物回收的優(yōu)勢。MCM-41是具有有序六方介孔的一類介孔分子篩,具有孔徑可調、可功能化修飾等優(yōu)點。故可通過對MCM-41疏水化改性實現對工業(yè)VOCs廢氣的吸附凈化處理。本文選擇甲苯和丙酮作為典型的VOCs研究對象,利用蛋白石頁巖作為硅源,制備得到蛋白石頁巖介孔材料,用于對甲苯和丙酮的吸附效能及多次循環(huán)吸附效果的研究。本課題通過對天然蛋白石頁巖酸活化預處理,確定了2.0 mol/L硫酸活化天然蛋白石頁巖作為合成蛋白石頁巖介孔材料的硅源。利用小角度范圍內的X-射線衍射,考察不同合成條件對蛋白石頁巖介孔材料介孔有序性的影響。研究發(fā)現,蛋白石頁巖介孔材料的最優(yōu)合成條件為SiO_2:CTAB:H_2O(摩爾配比)=1:0.3:70、pH=11.0、晶化溫度110℃、晶化時間48 h,通過多種方式表征蛋白石頁巖介孔材料,明確蛋白石頁巖介孔材料吸附甲苯和丙酮的關鍵技術優(yōu)勢�？疾靻谓M份甲苯、丙酮吸附體系中氣體流量、初始進氣濃度、吸附溫度等因素對蛋白石頁巖介孔材料吸附甲苯和丙酮動態(tài)吸附性能的影響。研究發(fā)現,隨氣體流量的增加,甲苯和丙酮的飽和吸附容量呈現先增大后減小的變化趨勢,當氣體流量為0.20 L/min時達到了最大;飽和吸附容量隨甲苯和丙酮初始濃度的增加而增大且增幅逐漸減小;飽和吸附容量隨溫度的升高而降低且在20℃時達到最大,動態(tài)飽和吸附容量分別為137 mg/g和239 mg/g。在對甲苯/丙酮雙組分吸附實驗中,極性指數的作用占主導作用,表現為丙酮分子將吸附在材料中的甲苯置換出來。吸附動力學研究結果表明,蛋白石頁巖介孔材料對甲苯和丙酮的吸附結果與Langmuir吸附方程吻合度更高;Freundlich吸附擬合結果證明該吸附類型為物理吸附且丙酮較甲苯更容易吸附在蛋白石頁巖介孔材料表面。Yoon-Nelson模型擬合曲線結果表明,該模型對蛋白石頁巖介孔材料吸附甲苯和丙酮具有良好的適用性,相關系數均大于0.92。將甲基/硅烷化、氨基/硅烷化、巰基/硅烷化改性后蛋白石頁巖介孔材料表征改性前后材料的介孔有序性、比表面積、官能團嫁接及疏水性變化。探究不同硅烷化改性材料對含水率為60%VOCs的吸附效能。利用水蒸氣脫附法對改性前后材料脫附再生,探究脫附率隨時間的變化趨勢及變化速率。結果表明,改性后材料的有序性良好;比表面積和孔體積均有不同程度的降低,比表面積分別降低11.9%、13.8%、14.19%,孔體積分別降低22.6%、26.19%、25.0%;;Si-OH、NH_2、S-H基團均已成功嫁接到介孔表面;接觸角疏水性有所提高。改性后材料對甲苯和丙酮的飽和吸附容量分別提高3.5倍和3倍,且?guī)�基/硅烷化和氨基/硅烷化的改性效果較甲基/硅烷化改性效果好。未改性、甲基/硅烷化、氨基/硅烷化、巰基/硅烷化蛋白石頁巖介孔材料中甲苯的脫附率分別達到96.72%、93.68%、91.5%、91.62%,丙酮的脫附率分別為89.23%、85.71%、81.65%、80.33%;升高相同溫度,丙酮的脫附率比甲苯的脫附率升幅更小。對蛋白石頁巖介孔材料經過五次吸附-脫附循環(huán)使用后,對甲苯和丙酮的飽和吸附容量分別降低54.0%和68.2%。
【圖文】：

圖 2-1 CH3-蛋白石頁巖介孔材料的合成原理圖2.2.3.2 氨基/硅烷化介孔材料的制備將已合成的蛋白石頁巖介孔材料在 60℃下干燥 12 h。取 18 mL 3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTS）和 200 mL 甲苯充分混合，加入 2.0 g 蛋白石頁巖介孔材料后，，繼續(xù)攪拌搖勻，將混合液在 70℃水浴鍋中氮氣氣氛中回流 24 h�；亓魍戤吅罄鋮s3 h，離心后取沉淀物用甲醇洗滌三次。洗滌物在 100℃下干燥 12 h，得到的固體記作 NH2- 蛋白石頁巖介孔材料。取 0.1g NH2- 蛋白石頁巖介孔材料放入100mL0.1mol/L 的鹽酸溶液中，攪拌 6 h，離心得到沉淀物在 60℃干燥 24 h，得到的樣品記為 NH4+-蛋白石頁巖介孔材料。反應原理如圖 2-2 所示。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文圖 2-1 CH3-蛋白石頁巖介孔材料的合成原理圖2.2.3.2 氨基/硅烷化介孔材料的制備將已合成的蛋白石頁巖介孔材料在 60℃下干燥 12 h。取 18 mL 3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTS）和 200 mL 甲苯充分混合，加入 2.0 g 蛋白石頁巖介孔材料后，繼續(xù)攪拌搖勻，將混合液在 70℃水浴鍋中氮氣氣氛中回流 24 h�；亓魍戤吅罄鋮s3 h，離心后取沉淀物用甲醇洗滌三次。洗滌物在 100℃下干燥 12 h，得到的固體記作 NH2- 蛋白石頁巖介孔材料。取 0.1g NH2- 蛋白石頁巖介孔材料放入100mL0.1mol/L 的鹽酸溶液中，攪拌 6 h，離心得到沉淀物在 60℃干燥 24 h，得到的樣品記為 NH4+-蛋白石頁巖介孔材料。反應原理如圖 2-2 所示。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X701;O647.3

【參考文獻】

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本文編號：2674368