沸石分子篩在VOCs治理系統(tǒng)中的應用

通常自然界存在的結晶型硅鋁酸鹽稱為沸石，人工合成的稱為分子篩。1959年，美國聯(lián)合碳化物公司的密爾頓博士的第一個人工合成分子篩的專利被批準下來下來，至此人工沸石分子篩的應用更加廣泛。本文簡單為大家介紹沸石分子篩在VOCs治理系統(tǒng)中的應用。

沸石的特點淺談

沸石分子篩吸附是利用物理吸附，將VOCs吸附到分子篩內部，再通過升高溫度使得VOCs逸出，完成吸附和脫附的全過程。

沸石分子篩的吸附主要是擇形吸附，利用吸附質的分子形狀和大小，以及分子極性和不飽和度來進行選擇吸附。

特點1：選擇吸附通過對二氧化硅和氧化鋁極有規(guī)律的連接，形成的沸石分子篩的微孔具有均勻性，使得其吸附具有選擇性。雖然沸石分子篩沒有活性炭或硅膠、樹脂的吸附物質的種類廣泛，但是目標污染物的吸附效率大大提高。

特點2：種類繁多 沸石分子篩通過硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相連而形成的分子尺寸大小（通常為0.3nm至2.0 nm）的孔道和空腔體系，從而具有篩分分子的特性。氧環(huán)通過氧橋連結，形成具有三維空間的多面體，多面體有中空的籠，籠狀結構是分子篩的骨架結構。不同結構的籠再通過氧橋相互聯(lián)結形成各種不同結構的分子篩。如A型、ZSM-5等。

特點3：性能可優(yōu)化改變二氧化硅和氧化鋁的比例，可以調節(jié)分子篩的吸附能力。高硅沸石分子篩顯著改變其疏水性，同時也改變了其耐溫性。實現(xiàn)了對VOCs工況的適應性擴展。減小高濕環(huán)境以及環(huán)境溫度變化對吸附濃縮效果的影響。

在沸石晶體的構造中存在離子（鈉、鉀、鈣等），通過陽離子的交換，可以改變孔徑，從而實現(xiàn)更高效的吸附目標污染物。

特點4：安全性還有就是沸石材料本身是不燃物質，在應用的安全性上有保障。

沸石分子篩應用類型

從沸石分子篩的合成到集成裝置的應用，其核心在于不同類型沸石分子篩的選擇以及負載工藝的優(yōu)化。

1986年，瑞典的蒙特公司率先將蜂窩狀沸石轉輪用于VOCs廢氣處理。1988年，日本株式會社西部技研公司將加工成波紋形和平板形的陶瓷纖維紙用無機黏合劑粘結在一起后卷成具有蜂窩狀結構的轉輪，然后將疏水性沸石涂覆在蜂窩狀通道的表面得到吸附轉輪，并將其成功用于VOCs的凈化處理。目前，市場的沸石轉輪進口品牌有蒙特、西部技研、霓佳斯以及東洋紡公司。雖然國內的沸石吸附濃縮裝置起步較晚，但目前也有幾家品牌在市場上大量的實踐應用。

沸石轉輪的基材基本都選擇了以玻璃纖維為主的涂敷法，其中東洋紡采用濕法抄紙法工藝提進行蜂窩沸石制作，提高了沸石負載量。

1、盤式轉輪

盤式沸石轉輪結構分區(qū)為吸附區(qū)、再生區(qū)以及冷卻區(qū)三個部分。一般都是10：1：1的分區(qū)比例，也有采用45°脫附區(qū)和45°冷卻區(qū)。

吸附區(qū)：廢氣迎風面，一般風速控制在2-4Nm/s，凈化效率一般在90-97%。凈化氣進入煙囪。

冷卻區(qū)：一般采用制程氣進行冷卻，一方面降低了冷卻區(qū)沸石的溫度，使得其具有吸附性。另一方面實現(xiàn)了熱能回收。這個氣體也就是脫附氣。

脫附區(qū)：將經過熱回收的氣體，再進行加熱溫度到200℃左右，進入脫附區(qū)進行冷卻。脫附再生的風量一般是進氣的10-20倍。當進行高溫再生，最高溫度可達到300℃左右，需要在設計時選擇高溫再生型轉輪。

2、筒式轉輪

筒式沸石轉輪來自日本東洋紡，除了材料加工上的差異，從結構上和盤式有很大的區(qū)別，利用模塊化沸石材料填充成筒狀結構，來實現(xiàn)VOCs的吸附濃縮。

結構分區(qū)上沒有了盤式的冷卻區(qū)，當濃縮倍率一樣的話，其脫附能耗高于盤式轉輪。筒式轉輪的濃縮倍率最高可以做到50倍，濃縮倍率越高其搭配的燃燒裝置或其他就規(guī)格越小，還有其模塊化沸石，便于安裝和維護，也是設備的一大特點。

3、固定床沸石分子篩

不論筒式轉輪或盤式轉輪，其應用場景都要求工況具有連續(xù)性。因此在固定床活性炭發(fā)展的基礎上，通過改變吸附材料，形成了固定床的蜂窩沸石分子篩吸附床。目前少量應用在市場。由于沸石分子篩的特性，其動態(tài)吸附容量遠小于活性炭，且脫附溫度高（250℃左右）。采用固定床系統(tǒng)對閥門的氣密性、固定床的保溫、脫附溫升的控制等方面都加大了系統(tǒng)復雜。固定床沸石系統(tǒng)的應用，還需要積累經驗和優(yōu)化難點解決方案。

總結

針對沸石轉輪的應用，常見的組合工藝有沸石轉輪+燃燒系統(tǒng)（TO/RTO/CO/RCO)，沸石轉輪+活性炭固定床吸附+冷凝、沸石轉輪+冷凝（NMP回收）等。

盡管目前沸石轉輪系統(tǒng)已經稱為全球公認的最高效的吸附濃縮技術，也不得不承認其本身具備一定的局限性。比如廢氣的組分復雜，很多工況難以明細其廢氣的真實濃度、組分或其濃度、組分具有變化性，沸石的應變能力就捉襟見肘。

沒有萬能的設備或工藝，適合的才是最好的。針對大風量、低濃度，連續(xù)工況，常規(guī)VOCs，轉輪的吸附濃縮是最佳的工藝選擇。隨著沸石分子篩、活性炭纖維、樹脂等吸附材料的研究與發(fā)展，未來市場的VOCs治理工藝更加繁多，優(yōu)化出合適工況的組合工藝，從投資和運行以及安全綜合解決末端VOCs治理問題。