CN110354638A - 一种去除VOCs的MOFs转轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种去除VOCs的MOFs转轮，属于环保技术领域。该MOFs转轮由MOFs材料与陶瓷基材料通过热压、喷涂、原位生长等方法结合在一起，然后折叠制成瓦楞纸，最后将瓦楞纸卷曲为转轮而制成。该MOFs转轮可与吸水转轮自由组合使用。本发明基于多孔MOFs材料比表面积大、孔径范围可调、对气体的吸附能力强、脱吸附容易等特点，实现对低浓度、大流量、高效率的挥发性有机污染物(VOCs)的去除。吸水转轮模块解决了大部分MOFs无法克服的水解问题，为VOCs的处理提供了更广阔的选择。该MOFs转轮在化工厂、电厂，甚至居民楼等场合重要的应用前景。本发明制备工艺简单、性能优异、实用性较强、可大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及环保技术领域，特别是指一种去除VOCs的MOFs转轮。
背景技术
VOCs的处理技术主要分为回收型和销毁型技术。其中回收型技术包括吸收、吸附、冷凝、分离等；销毁型技术则包括直接燃烧、催化燃烧、蓄热式燃烧、生物降解等。新型VOCs转轮吸附浓缩装置即可与回收型技术结合使用，又可以与氧化型技术结合使用。一般情况下，燃烧产物、吸烟、采暖、烹调、装饰材料、家具、家用电器、清洁剂等生产中会产生VOCs(Volatile Organic Compounds,挥发性有机污染物)，由于产生VOCs具有大风量低浓度的特点，通常采用转轮法浓缩+蓄热式燃烧炉的方法去除VOCs。目前，根据大气污染物排放标准中的规定，非甲烷总烃的排放浓度不得超过120mg/m3，北京、上海等地区的标准更加严格，但对于已有的VOCs去装置来说，如果要使尾气达到上述排放值，设备的运行效率将会大大降低，设备的磨损程度加剧，同时运行成本也会随之增加。因此发明一种在低浓度大流量VOCs条件下高效去除废气的设备至关重要。
目前VOCs转轮的材料多为活性炭与沸石分子筛。活性炭成本较低，但存在寿命短、不稳定、受水气影响大、难脱附高沸点有机物、热气流再生过程中易发生火灾等缺点。沸石具有均匀微孔，其孔径与一般有机分子大小相当，具有耐高温、不可燃等优点。但沸石孔径单一，处理VOCs的范围小，需要添加几种沸石材料拓宽孔径范围，增加了生产的困难，此外，分子筛对VOCs的脱吸附困难，能耗高。
MOFs材料拥有丰富的孔隙结构，可实现大量高效吸附VOCs。另外，MOFs 还具有裸露的金属位点和丰富的表面官能团等优点，赋予了MOFs对VOCs的主动选择性吸附性能。通过配位效应，酸性位点连接，静电效应，H键连接等方式，MOFs材料可以和不同的有害VOCs(如四氢噻吩、苯、二氯甲烷、环氧乙烷等)进行连接。同时，相对于目前使用的活性炭和分子筛，MOFs材料拥有更大的比表面积(1000-3000m2g-1)以及孔容(0.4-1.6cm3g-1)，拥有具有更强吸附富集大风量低浓度的VOCs的能力。另外MOFs转轮具有脱吸附容易，循环性能好等特点。因此，采用具有众多优势的MOFs材料取代传统的多孔碳和分子筛制备转轮，有望实现高效率去除低浓度VOCs。
发明内容
本发明通过改进现有的沸石分子筛转轮，提供一种去除VOCs的MOFs转轮。利用MOFs/基材料的高吸附性能通过化学吸附和物理吸附捕获VOCs气体，同时利用MOFs的脱附及可循环利用的性能，提高材料的长期使用性能和减少设备的更换。本发明提出的MOFs/基材料转轮兼具刚性结构和在低浓度条件下吸附VOCs气体的两种特点。选用的MOFs材料可以在此过程中表现出良好的热稳定性和水稳定性，大大减少了转轮更换，在严峻的减排政策下，不仅有效去除 VOCs，同时减少了去除VOCs的更换费用与运行费用。另外，结合现有的热压技术，可以通过热压机将MOFs材料结合在基材料上，从而获得稳定的材料。其实用性和应用前景广阔。另外，使用浸渍的方法将吸水型材料结合在单独转轮上，通过添加在MOFs转轮前段，保证MOFs/基材料处理VOCs的处理效果，实现可自由组装，模块化的MOFs转轮。
具体的，该转轮由MOFs材料和陶瓷基材料结合而成，具体制备方法如下：
S1：将MOFs材料和陶瓷基材料牢固地结合在一起；
S2：将S1中结合好的材料折叠制成瓦楞形状的瓦楞纸；
S3：将瓦楞纸卷曲形成圆柱形MOFs转轮；
S4：通过格栅将MOFs转轮内隔离分成吸附区、脱附区和冷却再生区。
其中，MOFs材料为ZIF-8、MOF-5、IRMOF-3、MOF-177、IRMOF-62、Zn-CPO-27 中的一种或几种。MOFs材料拥有特定的孔隙与反应位点，可以与不同的VOCs 发生反应。
陶瓷基材料厚度为4-8mm。
S1中MOFs材料和陶瓷基材料通过热压法、喷涂法、原位生长法中的一种结合。
S2中将S1中结合好的材料折叠成瓦楞形状，通过粘合剂粘牢，形成瓦楞纸。
S4中转轮两侧由特殊的密封装置分成三个区域：吸附区、脱附区和冷却再生区，其中，吸附区、脱附区和冷却再生区转轮的区域面积比为吸附区：脱附区：冷却再生区域＝6：1：1。当需要除VOCs的混合空气通过转轮的吸附区域时，混合空气的VOCs被转轮的MOFs材料所吸附，洁净空气被处理风机送至需要处理的空间；而不断缓慢转动的转轮载着趋于饱和的VOCs进入脱附区域；脱附区域内反向吹入的高温空气使得转轮中吸附的VOCs被脱附，被风机排入收集装置，从而使转轮恢复了吸取VOCs的功能，转轮不断地转动，随后进入冷却再生区，吹入的低温空气使得MOFs转轮再生，上述的吸附VOCs及再生周而复转地进行，从而保证MOFs转轮持续稳定的除VOCs状态。
该MOFs转轮前端拼接吸水转轮。
吸水转轮通过将陶瓷瓦楞纸浸泡在吸水性材料制成的溶液中，然后取出晾干卷曲成圆柱形制成。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1)MOFs材料的比表面积大，孔径范围可调，可以通过化学作用和物理作用实现对VOCs的高效吸附；
2)MOFs材料具有可设计性，通过调节金属盐和配体可以调控其尺寸大小和表面官能团，实现对VOCs的针对性吸附；
3)MOFs材料对VOCs废气脱吸附相对容易，降低了更换转轮的使用成本；
4)本发明中VOCs转轮采用模块化转轮，可根据实际情况安装吸水转轮，以保证MOFs转轮更高效去除VOCs；
5)该发明具有制备工艺成熟、选材广泛、实用性强、效率高、可大规模生产等优点。
附图说明
图1为本发明的去除VOCs的MOFs转轮结构示意图；
图2为本发明实施例中的ZIF-8的形貌图。
其中：1-吸水转轮；2-MOFs转轮；3-脱附区；4-冷却再生区；5-吸附区。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种去除VOCs的MOFs转轮。
该转轮由MOFs材料和陶瓷基材料结合而成，具体制备方法如下：
S1：将MOFs材料和陶瓷基材料结合在一起；
S2：将S1中结合好的材料折叠制成瓦楞形状的瓦楞纸；
S3：将瓦楞纸卷曲形成圆柱形MOFs转轮；
S4：通过格栅将MOFs转轮内隔离分成吸附区5、脱附区3和冷却再生区4。
为了提高MOFs转轮对VOCs的吸附效率，还引入了吸水转轮将废气中的水蒸气提前吸附。此吸水转轮是一种可自由组装的组件，可以根据实际烟气含水蒸气情况自由选用。所制得的MOFs转轮2前端接吸水转轮1，如图1所示。吸水转轮吸附大量的水蒸气以提高后续VOCs的吸附量；MOFs转轮，可根据实际情况选择一种或多种转轮自由组合转轮，以实现VOCs的高效去除。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
使用ZIF-8作为MOFs材料。首先称取一定量ZIF-8前驱体材料 (Zn(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑)，再加入聚乙二醇混合，将混合材料不断研磨，混合均匀后，均匀涂抹在陶瓷纸表面，调整热压机温度为200℃，将ZIF-8和陶瓷纸压制数分钟，反复进行多次，使MOFs材料在陶瓷纸表面生成，得到所制备的MOFs/陶瓷材料。随后将MOFs/陶瓷纸通过锟压机压制成为高度为4mm，波纹间距为5mm的瓦楞状，使用粘合剂粘牢形成瓦楞纸，随后将瓦楞纸卷曲为圆柱形转轮。ZIF－8的结构示意图如图2所示，ZIF-8拥有大小不一的孔道，可以吸附不同分子直径的VOCs分子。
在应用过程中，烟气中的水蒸气会和VOCs气体共同竞争MOFs/陶瓷材料上的结合位点，因此本发明制作模块化转轮，考虑将吸水型材料浸渍在陶瓷基材料上生成吸水/陶瓷材料，拼装在MOFs/陶瓷材料前端，制成双转轮，以提高MOFs/陶瓷材料的去除VOCs的性能。由于转轮实现模块化，在实际应用中使用一种或多种转轮来去除VOCs。其中吸水性材料选用LiCl，但不限于LiCl。称取LiCl粉末配置成30％的LiCl溶液，使用磁力搅拌装置搅拌并溶解12h使其最终形成一种稳定的透明溶液，取制备好的陶瓷瓦楞纸浸泡在30％LiCl溶液中24h，取出放入干燥箱保持120℃的温度12h，之后将陶瓷瓦楞纸卷曲成圆柱状，最终获得LiCl吸水材料转轮。
实施例2
使用ZIF-8作为MOFs材料，首先称取一定量ZIF-8前驱体材料 (Zn(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑)，再加入甲醇混合，得到混合溶液。将混合溶液超声震荡，混合均匀后，进行溶剂热合成反应12h，得到ZIF-8金属有机骨架晶体材料；将ZIF-8金属有机骨架晶体材料进行甲醇洗涤后，离心过滤提取产物，随后进行烘干得到ZIF-8材料放入适当甲醇溶剂稀释，均匀喷涂在陶瓷纸表面，得到所制备的MOFs/陶瓷材料。随后将MOFs/陶瓷纸通过锟压机压制成为高度为4mm，波纹间距为5mm的瓦楞状，使用粘合剂粘牢形成瓦楞纸，随后将瓦楞纸卷曲为圆柱形转轮。
综上所述，本发明是一种新型VOCs吸附浓缩转轮，关键在于MOFs多孔材料制备与转轮的结合，相对于目前使用的活性炭、分子筛等多孔材料，MOFs 多孔材料具有比表面积大，孔径范围可调，活性位点多，吸附量大，脱吸附容易等优点，可通过化学和物理共同作用实现对VOCs的高效吸附。且本发明制备过程简单，对VOCs的吸附性能优异，在产业化生产和实际应用中有很重要的前景。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：由MOFs材料和陶瓷基材料结合而成，具体制备方法如下：
S1：将MOFs材料和陶瓷基材料牢固地结合在一起；
S2：将S1中结合好的材料折叠制成瓦楞形状的瓦楞纸；
S3：将瓦楞纸卷曲形成圆柱形MOFs转轮；
S4：通过格栅将MOFs转轮内隔离分成吸附区、脱附区和冷却再生区。
2.根据权利要求1所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：所述MOFs材料为ZIF-8、MOFs-5、IRMOFs-3、MOFs-177、IRMOFs-62、Zn-CPO-27中的一种或几种，MOFs材料能够与不同的VOCs发生反应。
3.根据权利要求1所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：所述陶瓷基材料厚度为4-8mm。
4.根据权利要求1所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：所述S1中MOFs材料和陶瓷基材料通过热压法、喷涂法、原位生长法中的一种结合。
5.根据权利要求1所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：所述S2中将S1中结合好的材料折叠成瓦楞形状，通过粘合剂粘牢，形成瓦楞纸。
6.根据权利要求1所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：所述S4中转轮两侧分成三个区域：吸附区、脱附区和冷却再生区，其中，吸附区、脱附区和冷却再生区转轮的区域面积比为吸附区：脱附区：冷却再生区域＝6：1：1。
7.根据权利要求1所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：该MOFs转轮前端拼接吸水转轮。
8.根据权利要求7所述的去除VOCs的MOFs转轮，其特征在于：所述吸水转轮通过将陶瓷瓦楞纸浸泡在吸水性材料制成的溶液中，然后取出晾干卷曲成圆柱形制成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910549880.0A CN110354638A (zh) | 2019-06-24 | 2019-06-24 | 一种去除VOCs的MOFs转轮 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113976081A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-01-28 | 东莞理工学院 | 一种新型实用mof转轮制备方法及应用 |
| CN114377517A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-04-22 | 同济大学 | 一种基于功能性介孔二氧化硅转轮的涂装废气净化系统及方法 |
-
2019
- 2019-06-24 CN CN201910549880.0A patent/CN110354638A/zh active Pending
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