CN109126696A

CN109126696A - 一种高性能复合吸附材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN109126696A
Application number: CN201810921698.9A
Authority: CN
Inventors: 付博; 刘菊; 张东辉; 周乔; 焦亮; 张涛; 易玉明; 何昌春; 戴荪; 朱新宝; 左宋林; 乔维川; 张磊; 李兴民
Original assignee: Nanjing Yi Wei Environmental Protection Technology Co Ltd; Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Yi Wei Environmental Protection Technology Co Ltd; Nanjing Forestry University
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2019-01-04

Abstract

一种高性能复合吸附材料及其制备方法和应用，该复合材料由粉末状沸石、粉末状活性炭、木浆纤维、特种纤维、非水溶性阻燃剂及胶黏剂制成。本发明制备的复合吸附材料中添加了特种纤维、活性炭、沸石和非水溶性阻燃剂多种组分，具有阻燃性高、疏水性好、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化、气体通道可调控、应用范围广等特性，特别适用于各类VOCs废气的吸附净化处理。本发明原料来源广泛，工艺过程简单，可自由地加工成不同形态的纤维制品(毡、带、布等)，在固定床吸附和转轮吸附应用中具有吸附能力强、可原位再生和循环使用、吸/脱附速率快、压降小等优点。

Description

一种高性能复合吸附材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种高性能复合吸附材料及其制备方法和应用。

背景技术

VOCs(挥发性有机物)一般指常压状态下沸点在50-260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过134Pa，且具有很强挥发性的有机化合物。VOCs的废气治理技术包括回收法和消除法两大类，其中吸附法是中低浓度VOCs治理主流单元技术。

常用的吸附剂是蜂窝状活性炭和蜂窝状沸石。活性炭孔穴丰富，比表面积大，具有较好的广谱适用性，蜂窝状活性炭近年来被广泛应用于各类VOCs气体的处理，其可以达到90％甚至更高的处理效果。蜂窝活性炭由于其独特的蜂窝状结构，空气动力学性能好，床层压降小，吸附脱附速率快，但是其机械强度低、安全性差、易粉化、再生困难，使其应用范围受到较大的限制。此外，很多行业排放的VOCs气体温度较高，而且采用吸附法吸附净化VOCs气体过程中也会释放大量的热，这就要求吸附剂在保证吸附性能的前提下能够有一定的耐高温性。

沸石晶体结构均一，孔洞直径具有“分子筛分”作用，具有一定的选择吸附性。与活性炭相比，分子筛是不可燃物质，可耐受高温至1000℃，因此再生时可使用较高温度，可对高沸点VOCs进行有效处理；且在相对湿度RH＞60％的废气工况下依然有良好的吸附性能。蜂窝沸石由于其可用于高温吸附，再生效率高、安全性高，近年来被广泛应用于各类VOCs气体的处理，净化效率高达98％以上。但是由于沸石比表面积相对较小且对甲醇、丙酮、乙酸乙酯等小分子物质吸附效果差，吸附效果不如活性炭，蜂窝沸石同样存在机械强度低和易粉化等缺点。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种高性能复合吸附材料及其制备方法，兼具了特种纤维、沸石和活性炭的优点，具有阻燃性高、疏水性好、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化、气体通道可调控、应用范围广等特性，特别适用于各类VOCs废气的吸附净化处理。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种高性能复合吸附材料，制备原料含有活性炭组分、沸石组分、特种纤维组分和非水溶性阻燃剂组分。

所述的高性能复合吸附材料，其中粉末状活性炭的重量百分比为20-45％，特种纤维的重量百分比为2～15％，沸石的重量百分比为20～45％。

所述的高性能复合吸附材料，其中粉末状活性炭20-45％，木浆纤维12～40％，特种纤维2～15％，粉末状沸石20～45％，非水溶性阻燃剂4～15％，胶黏剂2～15％，各组分之和为100％。

所述胶黏剂为聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖一种或多种。

所述木浆纤维为针叶木浆和阔叶木浆中的一种或多种。

所述沸石包括ZSM-5型沸石、Y型沸石、高硅沸石β、M-13X型沸石、MCM-41型沸石中的一种或多种，疏水型沸石的比表面积＞225m²/g、硅铝质量比＞100。

所述的高性能复合吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

a)将木浆纤维(打浆度30-70°SR)、粉末状沸石、粉末状活性炭、非水溶性阻燃剂、胶黏剂与特种纤维按配比加水进行均匀混合，混合物料浓度为0.05-0.5％；

b)将混合物料放入带有过滤网的成型机上滤水成平面状(如毡、带、布等)材料，然后烘干定型。

c)将平面状材料在高温状态下加工成瓦楞状，然后将平面状和瓦楞状材料通过胶黏剂粘贴制成单面瓦楞材料。

所述特种纤维的直径在5-100μm，长度为3-15mm，同时具有永久阻燃性和绿色环保性能，优选玄武岩纤维、凯夫拉纤维等。

有益效果：与现有技术相比，本发明的高性能复合吸附材料兼具了特种纤维、沸石和活性炭的优点，具有阻燃性高、疏水性好、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化、气体通道可调控、应用范围广等特性，特别适用于各类VOCs废气的吸附净化处理。由于高性能复合吸附材料特征尺寸小，VOCs气体扩散速度快，因而吸/脱附速率快；将单面瓦楞状材料叠加在一起形成蜂窝状吸附材料，具有较低的气体阻力，大大降低了运行成本。本发明原料来源广泛，工艺过程简单，可自由地加工成不同形态的纤维制品(毡、带、布等)，在固定床吸附和转轮吸附应用中具有吸附能力强、可原位再生和循环使用、吸/脱附速率快、压降小等优点。

附图说明

图1复合材料扫描电镜图；

图2是蜂窝状复合吸附材料的结构示意图；

图3是吸附脱附实验装置图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

以下实施例中，所使用的特种纤维为玄武岩纤维，来自于江苏康达夫新材料科技有限公司，该产品具有高强度、永久阻燃性、短期耐温在1000℃以上，可长期在760℃温度环境下使用。

实施例1

称取2.2g打浆度为62°SR木浆纤维，0.8g特种纤维(直径5μm、长度6mm)，1.0g聚乙烯醇，5g粉末沸石，5g粉末活性炭，1.1g非水溶性阻燃剂，20kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散30分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干，采用扫描电镜对其进行表征，如图1所示，由图1可以看出，木浆纤维呈致密的连续结构，特种纤维杂乱无序地交织在一起并形成骨架，沸石和活性炭固定在骨架的大空隙里，这种结构有助于沸石和活性炭分散，进而有利于吸附质的扩散传质。

采用上述相同配方和工艺制备出对比产品，对比1采用聚酯纤维替代特种纤维，对比2采用玻璃纤维替代特种纤维。对各产品的物化性能进行检测。

材料的抗张强度采用微电脑抗张强度测试仪测试，材料的层间结合力采用微电脑层间结合强度测试仪进行测试，材料的燃烧性能采用水平垂直燃烧测试仪进行测试(执行美国UL94标准)，材料的比表面积采用高性能比表面及微孔经分析仪进行测试。

表1产品物化性能对比

从表1实施例1和对比例产品的性能结果可以看出，特种纤维代替以往的聚酯纤维或玻璃纤维，可以大幅度提高材料的机械强度(抗张强度和层间结合力)和阻燃性能，且其对高性能复合吸附材料的比表面积影响相对较小。

实施例2

称取1.8g打浆度为40°SR木浆纤维，0.6g特种纤维(直径5μm、长度6mm)，2.25g壳聚糖，6.75g粉末沸石，3g粉末活性炭，0.6g氢氧化铝，33.3kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散30分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。

实施例3

称取2.25g打浆度为50°SR木浆纤维，0.75g特种纤维(直径10μm、长度10mm)，0.9g淀粉，4.95g粉末沸石，4.95g粉末活性炭，0.6g磷酸铝、0.6g磷酸镁，3.34kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散15分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。

实施例4

称取2.85g打浆度为60°SR木浆纤维，0.9g特种纤维(直径15μm、长度15mm)，0.75g聚乙烯醇，3g粉末沸石，6.75g粉末活性炭，0.75g磷酸铝，16.7kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散45分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。

实施例5

称取4.5g打浆度为30°SR木浆纤维，2.25g特种纤维(直径100μm、长度10mm)，0.6g壳聚糖，3.75g粉末沸石，3.15g粉末活性炭，0.75g氢氧化铝，20kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散60分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。

实施例6

称取6g打浆度为75°SR木浆纤维，0.3g特种纤维(直径10μm、长度8mm)，0.3g淀粉，3.15g粉末沸石，3g粉末活性炭，0.75g偏磷酸铝，20kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散35分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干。

采用实施例1的方法，对各产品进行物化性能测定，具体结果如表2所示。

表2制备的产品物化性能结果对比

	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
						抗张强度(N/m)	1210	1190	1215	1430	1089
层间结合力(J/m<sup>2</sup>)	101	91	93	118	89
						比表面积(m<sup>2</sup>/g)	680	702	740	456	425
阻燃性(垂直燃烧性)	94V1	94V0	94V0	94V0	94V1

从表2的结果可以看出，特种纤维和非水溶性阻燃剂的复配使用量越大，材料的阻燃性能越好；特种纤维的添加量越大，对材料的抗张强度和层间结合力提升越显著。可见，配方中特种纤维和非水溶性阻燃剂复配起到很好的协同作用，可以提升材料的阻燃性能和强度指标，热气流再生时材料的安全系数高，进一步扩展了材料的应用范围。

实施例7

将实施例1提供的高性能复合吸附材料样品与市售蜂窝活性炭和市售蜂窝沸石进行吸附性能测试，具体实验方法和实验条件如下：

吸附脱附试验装置如图3所示，整套实验装置主要包括电控制箱、风机1、蠕动泵2、废气发生器3、电加热炉4、转子流量计5和固定床吸附器6组成，图中：实线为吸附路线，虚线为脱附路线；主要采用的鼓泡法产生甲苯气体，然后与干燥的空气混合，产生所需要的模拟甲苯废气，反应器内的温度由热电偶将探头伸入底部测得，反应器进出后甲苯的浓度采用气相色谱仪进行分析。

吸附阶段，采用甲苯150mg/m³的空气作为原料气分别进入装有蜂窝活性炭、蜂窝沸石和和高性能复合吸附材料(如图3)的固定床反应器，实验风量为50m³/h，吸附操作温度为25℃；脱附阶段时，采用热空气脱附，风量调节为10m³/h，脱附温度通过电控制箱调节电加热器的开度来控制，平均脱附温度为135℃。

具体的实验条件与实验结果见表3。由表3可知，与蜂窝沸石和蜂窝活性炭相比，高性能复合吸附材料具有更快的吸附脱附速率、更大的穿透吸附量和更小的压降。

表3蜂窝活性炭、蜂窝沸石和高性能复合吸附材料吸附应用实验结果

指标	蜂窝活性炭	蜂窝沸石	高性能复合吸附材料
				穿透时间(min)	34	24	39
穿透吸附量(mg/g)	85	60	105
				脱附用时(min)	28	20	19
压降(Pa/m)	4900	4800	3800

注：以出口浓度为进口浓度的5％时作为穿透点。

Claims

1.一种高性能复合吸附材料，其特征在于，制备原料含有活性炭组分、沸石组分、特种纤维组分和非水溶性阻燃剂组分。

2.根据权利要求1所述的高性能复合吸附材料，其特征在于，粉末状活性炭的重量百分比为20-45％，特种纤维的重量百分比为2～15％，沸石的重量百分比为20～45％。

3.根据权利要求1或2所述的高性能复合吸附材料，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：粉末状活性炭20-45％，木浆纤维12～40％，特种纤维2～15％，粉末状沸石20～45％，非水溶性阻燃剂4～15％，胶黏剂2～15％，各组分之和为100％。

4.根据权利要求3所述的高性能复合吸附材料，其特征在于，所述胶黏剂为聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的高性能复合吸附材料，其特征在于，所述木浆纤维为针叶木浆和阔叶木浆中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的高性能复合吸附材料，其特征在于，所述沸石包括ZSM-5型沸石、Y型沸石、高硅沸石β、M-13X型沸石、MCM-41型沸石中的一种或多种，疏水型沸石的比表面积＞225m²/g、硅铝质量比＞100。

7.根据权利要求3所述的高性能复合吸附材料，其特征在于，所述非水溶性阻燃剂是磷酸三聚氰胺、磷酸铝、磷酸镁、偏磷酸铝、氢氧化镁、氢氧化铝中的一种或多种。

8.权利要求1所述的高性能复合吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将打浆度30-70°SR的木浆纤维、粉末状沸石、胶黏剂与特种纤维按配比加水进行均匀混合，混合物料浓度为0.05-0.5％；

b)将混合物料放入带有过滤网的成型机上滤水成平面状材料，然后烘干定型。

9.根据权利要求8所述的高性能复合吸附材料的制备方法，其特征在于，所述特种纤维的直径在5-100μm，长度为3-15mm，同时具有永久阻燃性。

10.根据权利要求8或9所述的高性能复合吸附材料的制备方法，其特征在于，所述特种纤维选自玄武岩纤维、凯夫拉纤维。

11.权利要求1或2所述的高性能复合吸附材料应用在VOCs废气的吸附净化处理。