CN114682224A - 一种含氯苯有机废气吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含氯苯有机废气吸附剂及其制备方法和应用,是将ZIFs材料、多巴胺PDA、三羟甲基氨基甲烷按比例混合进行反应,经过滤洗涤得到的沉淀物进行干燥,制得ZIFs@PDA材料;然后在惰性气氛中高温煅烧,获得C/N@ZIFs材料;再浸渍于氯盐离子液体溶液中,过滤洗涤、干燥后,获得Cl‑C/N@ZIFs吸附剂。本发明提供的吸附剂能够快速有效地吸收氯苯类VOCs,吸收效率较高,循环使用稳定性好。

Description

一种含氯苯有机废气吸附剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于废气治理技术领域,具体涉及一种含氯苯有机废气吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
氯苯是典型的芳香族挥发性有机物,一般来说,这类物质主要来源于石油化工、印刷、制药等行业。含氯苯有机废气会引起大气环境污染,被认为是持久性污染物,在环境中难被生物降解,排放到大气中会破坏臭氧层,形成光化学烟雾和全球变暖,而且氯苯的不完全燃烧会造成剧毒物质二噁英的形成。因此,含氯苯有机废气受到严格法律法规的限制,须处理后方可排放。
含氯苯有机废气的治理技术分为消除法和回收法。回收技术属于物理或化学方法,包括吸附、吸收等技术,主要是对含氯苯有机废气进行有效回收及无害化的治理。其中,吸附法是在吸附装置中将含氯苯有机废气与吸附剂接触,使其达到净化目的。吸附法工艺简单,操作温度/压力低,理想的吸附剂是关键性因素,需要吸附量大、稳定性高且不产生二次污染。
与传统的吸附材料相比,金属有机框架材料(MOFs)作为一种新型的功能性吸附材料,在过去的二十年里经历了广泛的发展和迅速的进步。许多关于多孔材料的研究已经证明它们在气体吸附方面具有巨大潜力,ZIFs作为 MOFs 的一个亚类,不仅结合了沸石类及MOFs 的特点,还具有优异的热化学稳定性。
CN110538633A公开了一种选择性吸附芳香类VOCs吸附剂及其制备方法与应用。主要是将有机配体和一定比例的二价铁盐/三价铁盐混合溶解于有机溶剂中,经溶剂热、洗涤、干燥、真空活化制得。通过调节吸附剂中二价铁盐和三价铁盐的比例,从而有效调控吸附剂中未饱合配位的Fe原子吸附位点和对芳香类VOCs的吸附容量。但是该发明中,二价铁容易氧化,且合成过程中二价铁盐和三价铁盐的比例不易调控。
CN110342487A公开了一种聚多巴胺改性MOF衍生碳分子筛的制备方法,所述方法为:配制三羟甲基氨基甲烷水溶液,调节pH=8~9;配制多巴胺水溶液,加入MOF,室温下超声,搅拌;将上述配制的两种溶液混合,室温下搅拌12~24h,离心,洗涤,烘干,得到PDA/MOF前体;将其置于氮气流中,升温到600~1000℃保温2~6h,得到PDA/MOF衍生碳材料;将其加入到酸溶液中并于室温下搅拌24h,之后离心,洗涤,真空干燥,得到成品。该发明制备方法简单方便,经济环保,多巴胺改性能有效降低MOF在热解过程中结构的破环,提高残碳率,从而提高产量。但是该材料用于氯苯类有机废气的吸附,吸附容量有待进一步提升。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种含氯苯类有机废气吸附剂及其制备方法和应用。本发明提供的吸附剂能够快速有效地吸收氯苯类VOCs,吸收效率较高,循环使用稳定性好。
本发明含氯苯类有机废气吸附剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)将ZIFs材料、多巴胺PDA、三羟甲基氨基甲烷按比例混合进行反应,经过滤洗涤得到的沉淀物进行干燥,制得ZIFs@PDA材料;
(2)将ZIFs@PDA材料在惰性气氛中高温煅烧,获得C/N@ZIFs材料;
(3)将C/N@ZIFs材料浸渍于氯盐离子液体溶液中,过滤洗涤、干燥后,获得Cl-C/N@ZIFs吸附剂。
本发明中,步骤(1)所述的ZIFs材料是本领域公知的沸石咪唑酯骨架结构材料,优选ZIF-7、ZIF-8、ZIF-67等中的至少一种。所述的ZIFs材料可以自制,也可以商业购买获得。
本发明中,步骤(1)所述ZIFs材料和多巴胺(PDA)的质量比为1~5:1,优选2~4:1。
本发明中,步骤(1)所述的三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为50~200:1,优选为50~100:1。
本发明中,步骤(1)所述的反应温度为20~40℃,反应时间为1~3h。
本发明中,步骤(1)所述过滤采用常规固液分离方式,如离心、压滤等。洗涤采用乙醇或/和水,优选乙醇体积含量为20%-60%的乙醇水溶液。得到的沉淀物进行干燥,优选真空干燥,干燥温度为80~100℃,干燥时间为6~12h。
本发明中,步骤(2)所述的惰性气氛是指在氮气、氦气、氩气等的至少一种存在下。
本发明中,步骤(2)所述的高温煅烧的温度为550~1200℃,煅烧时间为0.5~2h。
本发明中,步骤(3)所述的氯盐离子液体为[BMIM][Cl]、[DMIM][Cl]、[EMIM][Cl]、[HMIM][Cl]、[OMIM][Cl]等中至少一种,优选[EMIM][Cl]。
本发明中,步骤(3)所述的氯盐离子液体溶液是将氯盐离子液体与乙醇混合,其中氯盐离子液体的浓度为1~4mmol/L,优选2~3mmol/L。
本发明中,步骤(3)所述的浸渍时间为1~5h,优选为1~2h。
本发明中,步骤(3)所述过滤采用常规固液分离方式,如离心等。洗涤采用乙醇或/和水,优选乙醇体积含量为20%-60%的乙醇水溶液。得到固相进行干燥,优选真空干燥,干燥温度为80~100℃,干燥时间为6~12h。
本发明所述的含氯苯有机废气吸附剂是采用上述本发明方法制备的。所制备的吸附剂中,以重量百分数计,氯盐离子液体的含量为1%~5%。
本发明所述的含氯苯类有机废气吸附剂的应用,该吸附剂适用于含氯苯有机废气的选择性吸附。当吸附塔出口含氯苯有机物浓度大于5mg/L时,此时为穿透,每克吸附剂的吸附容量高于100mg/g,优选125~483mg/g。
在上述应用中,所述的含氯苯有机废气是含有氯苯有机物的挥发性有机废气,其中氯苯有机物为:1,2-二氯苯、1,4-二氯苯、1,2,4-三氯苯、1,3,5-三氯苯、1,2,4,5-四氯苯、硝基氯苯等中的一种或几种。其中,氯苯有机物浓度低于700mg/L。
在上述应用中,所述的吸附条件为:常温吸附,压力为0.1~0.3 MPa,体积空速为1000~1200h-1
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)针对含氯苯有机废气的特点,本发明首先在ZIFs材料上包裹PDA,经煅烧后得到具有ZIFs结构的含氮-碳材料,再通过负载氯盐离子液体改性吸附剂结构,得到Cl-C/N@ZIFs吸附剂,该吸附剂用于含氯苯有机废气具有较高的吸附性能,且循环使用稳定性好。
(2)本发明以氯盐离子液体-乙醇溶液改性C/N@ZIFs吸附剂,不仅为氯苯有机物的吸附提供更多的吸附位点,而使吸附剂对氯苯有机物的选择性更好。
(3)本发明富吸附剂通过加热就可实现解吸,可以回收较纯净的氯苯有机物,再生后吸附剂循环使用稳定性好。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明技术方案及其效果。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料,如无特殊说明,均从常规生化试剂商店购买得到。
实施例1
(1)制备ZIF-8材料。按照1:8的摩尔比称取六水硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于50mL的甲醇中,搅拌均匀后将两者混合,磁力搅拌30min,混合溶液静置沉淀12h。将沉淀物离心,用乙醇和去离子水清洗后,在80℃的烘箱中真空干燥12h,得到ZIF-8粉体。
(2)按照质量比2:1称取ZIF-8和多巴胺,与三羟甲基氨基甲烷混合,三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为50:1,在20℃磁力搅拌反应2h,反应完成后经离心、乙醇洗涤得到的沉淀物在80℃真空干燥12h,得到ZIF-8@PDA材料。
(3)将得到的ZIF-8@PDA材料在Ar气氛中高温煅烧,煅烧温度为1100℃,煅烧时间为2h,获得含氮的C/N@ZIF-8材料。将C/N@ZIF-8材料浸渍于2mmol/L的[EMIM][Cl]的乙醇溶液中,浸渍时间2h,过滤、乙醇洗涤,得到固相80℃真空干燥12h,获得负载离子液体的Cl-C/N@ZIF-8吸附剂。制备的吸附剂中,以重量百分数计,氯盐离子液体的含量为2.1%。
取上述制备的吸附剂装填至吸附塔中,控制吸附温度为20℃,压力为0.3MPa,体积空速为1000h-1,通入含1,2-二氯苯浓度为600mg/L的气体,当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为425mg/g。
对富吸附剂进行加热再生,加热温度为100℃,再生时间1h。经吸收解吸循环10次后,再生得到的吸附剂在相同操作条件下用于含1,2-二氯苯气体的吸附,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为412mg/g。
实施例2
(1)制备ZIF-67。按照1:4的摩尔比称取六水硝酸钴和2-甲基咪唑分别溶于50mL的甲醇中,搅拌均匀后将两者混合,磁力搅拌30min,混合溶液静置沉淀12h。将沉淀物离心,用乙醇和去离子水清洗后,在80℃的烘箱中真空干燥12h,得到ZIF-67粉体。
(2)按照质量比3:1称取ZIF-67和多巴胺,与三羟甲基氨基甲烷混合,三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为70:1,在25℃磁力搅拌反应2h,反应完成后离心、乙醇洗涤,得到的沉淀物在80℃真空干燥12h,得到ZIF-67@PDA材料。
(3)将得到的ZIF-67@PDA材料在氮气气氛中高温煅烧,煅烧温度为1100℃,煅烧时间为2h,获得含氮的C/N@ZIF-67材料。将C/N@ZIF-67材料浸渍于4mmol/L的[EMIM][Cl]的乙醇溶液中,浸渍时间2h,过滤、乙醇洗涤,80℃真空干燥12h,获得负载离子液体的Cl-C/N@ZIF-67吸附剂。制备的吸附剂中,以重量百分数计,氯盐离子液体的含量为4.2%。
取上述制备的吸附剂装填至吸附塔中,控制吸附温度为25℃,压力为0.3MPa,体积空速为1000h-1,通入含1,2-二氯苯浓度为600mg/L的气体,当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为219mg/g。
对富吸附剂进行加热再生,加热温度为100℃,再生时间1h。经吸收解吸循环10次后,再生得到的吸附剂在相同操作条件下用于含1,2-二氯苯气体的吸附,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为204mg/g。
实施例3
(1)制备ZIF-7。按照1:2.5的摩尔比称取六水硝酸锌和苯并咪唑分别溶于50ml的甲醇中,搅拌均匀后将两者混合,磁力搅拌30min,混合溶液静置沉淀12h。将沉淀物离心,用乙醇和去离子水清洗后,在80℃的烘箱中真空干燥12h,得到ZIF-7粉体。
(2)按照质量比4:1称取ZIF-7和多巴胺,与三羟甲基氨基甲烷混合,三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为100:1,在20℃磁力搅拌反应2h,反应完成后离心、乙醇洗涤,得到的沉淀物在80℃真空干燥12h,得到ZIF-7@PDA材料。
(3)将得到的ZIF-7@PDA材料在氮气气氛中高温煅烧,煅烧温度为1100℃,煅烧时间为2h,获得含氮的C/N@ZIF-7材料。将C/N@ZIF-7材料浸渍于3mmol/L的[EMIM][Cl]的乙醇溶液中,浸渍时间2h,过滤、乙醇洗涤,80℃真空干燥12h,获得负载离子液体的Cl-C/N@ZIF-7吸附剂。制备的吸附剂中,以重量百分数计,氯盐离子液体的含量为3.3%。
取上述制备的吸附剂装填至吸附塔中,控制吸附温度为15℃,压力为0.3MPa,体积空速为1000h-1,通入含1,2-二氯苯浓度为600mg/L的气体,当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为346mg/g。
对富吸附剂进行加热再生,加热温度为100℃,再生时间1h。经吸收解吸循环10次后,再生得到的吸附剂在相同操作条件下用于含1,2-二氯苯气体的吸附,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为334mg/g。
实施例4
同实施例1,不同在于:按照质量比5:1称取ZIF-8和多巴胺,与三羟甲基氨基甲烷混合,三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为50:1,得到ZIF-8@PDA材料;将得到的ZIF-8@PDA材料在氮气气氛围中高温煅烧,煅烧温度为900℃,煅烧时间为2h,获得含氮的C/N@ZIF-8材料。将C/N@ZIF-8材料浸渍于3mmol/L的[EMIM][Cl]的乙醇溶液中,浸渍时间2h,过滤、乙醇洗涤,80℃真空干燥12h,获得负载离子液体的Cl-C/N@ZIF-8吸附剂。制备的吸附剂中,以重量百分数计,氯盐离子液体的含量为2.9%。
当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为402mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为389mg/g。
实施例5
同实施例1,不同在于:按照质量比1:1称取ZIF-8和多巴胺,与三羟甲基氨基甲烷混合,三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为200:1,得到ZIF-8@PDA材料;将得到的ZIF-8@PDA材料在氦气气氛围中高温煅烧,煅烧温度为1000℃,煅烧时间为2h,获得含氮的C/N@ZIF-8材料。将C/N@ZIF-8材料浸渍于4mmol/L的[EMIM][Cl]的乙醇溶液中,浸渍时间2h,过滤、乙醇洗涤,80℃真空干燥12h,获得负载离子液体的Cl-C/N@ZIF-8吸附剂。制备的吸附剂中,以重量百分数计,氯盐离子液体的含量为3.5%。
当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为378mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为363mg/g。
实施例6
同实施例1,不同在于:氯盐离子液体采用[BMIM][Cl],最终制得Cl-C/N@ZIF-8吸附剂。当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为317mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为302mg/g。
实施例7
同实施例1,不同在于:氯盐离子液体采用[HMIM][Cl],最终制得Cl-C/N@ZIF-8吸附剂。当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,每克吸附剂的吸附容量为277mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,每克吸附剂的吸附容量为263mg/g。
测试例1
将实施例1-7制备的吸附剂用于不同氯苯类VOCs气体的吸附,吸附效果如表1所示。吸附条件为同实施例1。
表1 不同吸附剂的吸附效果(单位:mg/g吸附剂)
Figure DEST_PATH_IMAGE001
比较例1
同实施例1、2,不同在于:吸附剂制备过程中不添加多巴胺。
当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量分别为346mg/g、108mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量为229mg/g、86 mg/g。
比较例2
同实施例1、2,不同在于:吸附剂制备过程中不添加三羟甲基氨基甲烷。
当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量为267、175mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量为226mg/g、167mg/g。
比较例3
同实施例1、2,不同在于:采用MOF-5代替ZIF-8材料。
当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量222mg/g、114mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量为189mg/g、103mg/g。
比较例4
同实施例1、2,不同在于:离子液体采用[BMIM][BF4]。
当吸附塔出口浓度大于5mg/L时为穿透,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量为297mg/g、189mg/g。对富吸附剂进行加热再生,经吸收解吸循环10次后,在穿透时间内,实施例1、2中每克吸附剂的吸附容量为206mg/g、113mg/g。

Claims (16)

1.一种含氯苯有机废气吸附剂的制备方法,其特征在于包括如下步骤:(1)将ZIFs材料、多巴胺PDA、三羟甲基氨基甲烷按比例混合进行反应,经过滤洗涤得到的沉淀物进行干燥,制得ZIFs@PDA材料;(2)将ZIFs@PDA材料在惰性气氛中高温煅烧,获得C/N@ZIFs材料;(3)将C/N@ZIFs材料浸渍于氯盐离子液体溶液中,过滤洗涤、干燥后,获得Cl-C/N@ZIFs吸附剂。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述的ZIFs材料选自ZIF-7、ZIF-8、ZIF-67中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述ZIFs材料和多巴胺的质量比为1~5:1,优选2~4:1。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述的三羟甲基氨基甲烷和多巴胺的质量比为50~200:1,优选为50~100:1。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述的反应温度为20~40℃,反应时间为1~3h。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述的惰性气氛是指在氮气、氦气、氩气的至少一种存在下。
7.根据权利要求1或8所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述的高温煅烧的温度为550~1200℃,煅烧时间为0.5~2h。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述的氯盐离子液体为[BMIM][Cl]、[DMIM][Cl]、[EMIM][Cl]、[HMIM][Cl]、[OMIM][Cl]等中至少一种,优选[EMIM][Cl]。
9.根据权利要求1或8所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述的氯盐离子液体溶液是将氯盐离子液体与乙醇混合,其中氯盐离子液体的浓度为1~4mmol/L,优选2~3mmol/L。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述的浸渍时间为1~5h,优选为1~2h。
11.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(2)和步骤(3)所述过滤采用离心或压滤;洗涤采用乙醇或/和水;干燥采用真空干燥,干燥温度为80~100℃,干燥时间为6~12h。
12.根据权利要求1或11所述的方法,其特征在于:所述洗涤采用乙醇体积含量为20%-60%的乙醇水溶液。
13.一种含氯苯有机废气吸附剂,其特征在于是采用上述本发明方法制备的。
14.权利要求13所述含氯苯类有机废气吸附剂的应用,其特征在于用于含氯苯有机废气的选择性吸附,当吸附塔出口含氯苯有机物浓度大于5mg/L时,此时为穿透,每克吸附剂的吸附容量高于100mg/g,优选125~483mg/g。
15.根据权利要求14所述的应用,其特征在于:所述的含氯苯有机废气是含有氯苯有机物的挥发性有机废气,其中氯苯有机物为:1,2-二氯苯、1,4-二氯苯、1,2,4-三氯苯、1,3,5-三氯苯、1,2,4,5-四氯苯、硝基氯苯等中的至少一种。
16.根据权利要求14或15所述的应用,其特征在于:所述的吸附条件为:含氯苯有机废气中氯苯有机物浓度低于700mg/L,常温吸附,压力为0.1~0.3 MPa,体积空速为1000~1200h-1
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