沸石分子筛离子交换及其对碳氢化合物的吸附性能研究

论文摘要

车辆污染物主要包括一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等,随着人们环保和健康意识的提高,国家逐步制定了越来越严格的车辆污染物排放标准,未来的低排、减排标准尤其要求汽车在冷启动过程中的CH排放必须达标。目前,解决方法之一是使用CH吸附材料将冷启动时排放的HC化合物暂时储存起来,当温度升高到三效催化剂的工作温度时,再将其释放出来。沸石分子筛以其高温热稳定性、吸附容量高等性能成为吸附分离首选吸附剂之一。因此,研究沸石分子筛对CH化合物的吸附性能对CH捕获器的设计具有重要的意义。本课题主要通过考察各种沸石吸附剂对C3H8吸附的穿透曲线和程序升温脱附曲线,研究了这些沸石分子筛对C3H8气体的吸附性能。通过金属离子交换改性改变13X型沸石分子筛的微观结构和吸附性能。重点研究了K+、Ag+、Ba2+、Ce3+、Li+、Mn2+对13X型沸石分子筛离子交换后的晶体结构变化及它们对C3H8的吸附性能的影响;以及交换溶液浓度、交换时间、焙烧温度、双金属离子交换等对离子交换度及13X沸石分子筛对C3H8的吸附性能的影响。1.各种沸石分子筛对C3H8气体的吸附性能对比通过对SAPO-5、SAPO-34、MCM-41、13X、5A、ZSM-5沸石吸附剂丙烷吸附穿透曲线的考察可知:SAPO-5低硅铝比的样品在吸附强度和吸附容量上都优于高硅铝比的样品;SAPO-34在吸附强度和吸附容量上高硅铝比的样品优于低硅铝比的样品;5A的延迟时间要长于4A和3A,并且它的吸附容量高于4A和3A;在ZSM-5分子筛中ZSM-5-4的延迟时间最长; MCM-41吸附性能接近于SAPO-34;13X与南开5A的吸附量相当;总之, SAPO-5、SAPO-34、MCM-41的吸附量很小,13X和5A是对C3H8吸附材料的首选。由沸石吸附剂对C3H8的TPD可知:各种类型样品中对丙烷分子的吸附量最大的是:ZSM-5-3,南开5A, 13X;在丙烷在各种材料的脱附温度看,13X和5A比较高（430℃）。经银、钡离子交换的5A分子筛跟未改性的5A相比较,低温下的弱脱附峰变小,高温下的强脱附峰变大。因此银、钡离子交换的5A分子筛比未改性的5A具有更高的脱附温度。经银离子交换的13X, 5A沸石分子筛的TPD实验表明:离子交换改性能提高它们的C3H8的脱附温度或吸附容量。2.考察13X分子筛离子交换改性对吸附性能的影响从离子交换改性后13X分子筛XRD谱图可知:衍射峰的数目和强度都变化不大。未影响骨架结构,只是改变沸石分子筛局部孔道。钾、银离子改性的13X分子筛的C3H8-TPD跟13X的C3H8-TPD很相似,有低温下的弱脱附峰和高温下的强脱附峰,但K-13X的吸附容量有所降低。锰离子改性的13X分子筛总吸附容量变小。铈、锂、钡离子改性的13X在低温下的弱脱附峰变小,高温强脱附峰变大。它们的开始脱附的温度达到300℃,高于三效催化剂的启燃温度225℃。银离子改性的13X分子筛中随着银离子交换浓度的增加,高温下的强脱附峰基本不变,而低温下的弱脱附峰却逐渐增大,致使沸石分子筛总吸附容量也增大。分析表明:银离子交换可能只发生在13X分子筛的表面,且随表面银的增加,银可以成为C3H8的活性吸附位。铈离子改性的13X分子筛随着铈离子交换浓度的增加,离子交换度增加（76.60%）,高温脱附量也增加。因此Ce离子交换能增加13X沸石分子筛对丙烷的脱附温度。钡离子交换度高的13X分子筛比未改性的13X分子筛有较大的峰值和面积,也大于Ag-13X的峰值（1.1）和面积。高离子交换度的Ba-13X沸石分子筛,不仅使13X沸石分子筛总吸附容量增加,而且在570℃有更高的脱附峰。因此Ba离子交换对增加13X沸石分子筛对丙烷的吸附性能效果显著。随着离子的交换时间的增加,样品的离子交换度增加,脱附量也增加。随着焙烧温度的增加,铈离子改性13X沸石分子筛样品的离子交换度降低,但脱附量先增加后减小。双金属离子交换的13X沸石分子筛对C3H8的吸附性能介于两种单离子交换的样品的吸附性能之间,是两者性能的叠加。Ce-13X、Ba-13X离子交换的最佳条件是:交换溶液浓度为0.2 mol/L、交换时间为3h、焙烧温度为450℃。此时的Ce-13X、Ba-13X的吸附量及脱附温度较大,适于做低温冷启动的HC吸附材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 应用分子筛吸附汽车尾气中CH 化合物的研究现状
• 1.3 沸石分子筛的概况
• 1.3.1 沸石分子筛的基本结构
• 1.3.2 沸石分子筛的吸附性质
• 1.3.3 沸石分子筛吸附性能影响因素
• 1.4 离子交换型改性沸石分子筛
• 1.4.1 水溶液交换法
• 1.4.2 阳离子交换类型
• 1.4.3 水溶液交换离子交换度的影响因素
• 1.4.4 离子交换对沸石分子筛性能的影响
• 1.5 本课题目的和意义
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验主要试剂药品及设备
• 2.1.1 实验所用化学试剂药品
• 2.1.2 实验所用仪器设备
• 2.2 型体样品的制备
• 2.2.1 待测分子筛样品
• 2.2.2 离子交换13X 型分子筛样品
• 2.3 吸附性能的测试
• 2.3.1 样品分子筛的穿透曲线实验
• 2.3.2 HC 脱附实验
• 2.4 样品的表征
• 2.4.1 阳离子交换度的测试
• 2.4.2 X 射线衍射（XRD）测试
• 第3章 各种沸石分子筛的吸附性能比较
• 3.1 样品的选取
• 3H₈ 的吸附实验'>3.2 C₃H₈的吸附实验
• 3.2.1 A 型沸石吸附剂对丙烷、丙烯的吸附
• 3.2.2 不同厂家的5A 型沸石吸附剂对丙烷的吸附
• 3.2.3 ZSM-5 型沸石吸附剂对丙烷、丙烯的吸附
• 3.2.4 SAPO-5 型沸石吸附剂对丙烷的吸附
• 3.2.5 SAPO-34 型沸石吸附剂对丙烷的吸附
• 3H₈ 的脱附实验'>3.3 C₃H₈的脱附实验
• 3.3.1 不同分子筛对丙烷的程序升温脱附曲线
• 3.3.2 不同分子筛对丙烷的程序升温脱附曲线
• 3.3.3 银离子交换对不同分子筛吸附性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 13X 沸石分子筛改性及其吸附性能
• 4.1 离子交换13X 分子筛的表征
• 4.1.1 离子交换能力
• 4.1.2 离子交换改性后13X 型沸石分子筛的结构.
• 4.3 样品基本性能研究
• 4.3.1 离子交换改性对13X 型沸石分子筛的吸附性能的影响
• 4.3.2 金属离子交换浓度对13X 沸石分子筛吸附性能的影响
• 4.3.3 交换时间对13X 沸石分子筛吸附性能的影响
• 4.3.4 焙烧温度对13X 沸石分子筛吸附性能的影响
• 4.3.5 双金属离子交换对13X 沸石分子筛吸附性能的影响
• 4.4 小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间所发表的学术论文
• 致谢