碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究

崔永康; 邢奕; 苏伟; 王嘉庆

doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

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“北京科技大学70周年校庆专刊”征文

碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究

崔永康 , 邢奕 , 苏伟 , 王嘉庆

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崔永康, 邢奕, 苏伟, 王嘉庆. 碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究[J]. 工程科学学报. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

引用本文:

崔永康, 邢奕, 苏伟, 王嘉庆. 碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究[J]. 工程科学学报. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

Influence and mechanism of alkaline metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption[J]. Chinese Journal of Engineering. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

Citation:

Influence and mechanism of alkaline metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption[J]. Chinese Journal of Engineering. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

1.
北京科技大学
2.
北京科技大学能源与环境工程学院

详细信息

中图分类号: X513

Influence and mechanism of alkaline metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption

摘要: ZSM-5是一种常用来吸附甲苯的微孔吸附剂，本文选择三种碱金属Li、Na和K对ZSM-5进行改性，结合表征手段和数学模型的方式研究引入ZSM-5中的碱金属对微孔结构和吸附甲苯的影响。在此实验中，分别从吸附容量、放热能量、扩散阻力和脱附活化能四方面深入探讨碱金属对吸附甲苯的影响规律。基于实验结果得知：碱金属的引入改变了ZSM-5分子筛的微孔结构并呈现出一定的规律。随着离子半径(Li+<Na+<K+)的升高，ZSM-5的孔径、比表面积和孔体积随之降低，影响规律为Li?ZSM-5 > Na?ZSM-5 > K?ZSM-5。静态饱和吸附量呈Li?ZSM-5 (0.363mmol/g)>Na?ZSM-5 (0.360mmol/g）>K?ZSM-5 (0.325mmol/g)排序。恒定浓度波模型很好的描述甲苯在ZSM-5上的吸附扩散行为，空间位阻和静电束缚力分别在高低进气浓度条件下对甲苯在ZSM-5孔道中的扩散占据主导作用，较高进气浓度(155mg/m3)条件下，碱金属改性对扩散阻力影响规律为Li?ZSM-5<Na?ZSM-5<K?ZSM-5；较低进气浓度 (25mg/m3)条件下，影响规律为Li?ZSM-5>Na?ZSM-5>K?ZSM-5。结合脱附动力学分析，Na?ZSM-5因具有较大的孔径和适中的吸附强度表现出更好的再生潜能。本研究从空间位阻和吸附强度两方面系统阐述了碱金属改性对甲苯吸附行为的影响机理，为在复杂的实际环境应用中选择合适的吸附剂提供了一定的参考意义。
- 分子筛 /
- 甲苯 /
- 空间位阻 /
- 吸附强度 /
- 碱金属改性
Abstract: ZSM-5 as a microporous adsorbent was extensively applied to adsorb toluene. In this paper, ZSM-5 was exchanged with alkali metals Li, Na and K for the purpose of adsorbing toluene. The effects of alkali metals introduced into ZSM-5 on micropore structure and toluene adsorption were studied by characterization technology and mathematical model. In this investigation, the influence of alkali metals on the adsorption of toluene was discussed from four aspects: adsorption capacity, exothermic energy, diffusion resistance and desorption activation energy. Based on the experimental results, it was found that the introduction of alkali metal affected the microporous structure of ZSM-5 with certain rules. The order of pore size, specific surface area and pore volume of ZSM-5 follow Li?ZSM-5 > Na?ZSM-5 > K?ZSM-5 with the increase of ionic radius (Li+<Na+<K+). The static saturated adsorption capacity follow Li?ZSM-5 (0.363mmol/g)>Na?ZSM-5 (0.360mmol/g）>K?ZSM-5 (0.325mmol/g). The constant concentration wave model can well fit the adsorption and diffusion behavior of toluene onto ZSM-5. The steric hindrance and electrostatic binding force play a dominant role in toluene diffusion in ZSM-5 channel at high and low inlet gas concentrations, respectively. At higher inlet concentration (155mg/m3), the influence of alkali metal modification on the internal diffusion resistance onto three adsorbents followed Li?ZSM-5<Na?ZSM-5<K?ZSM-5; while at lower inlet concentration (25mg/m3), the trend was inverse with Li?ZSM-5>Na?ZSM-5>K?ZSM-5. In Combination with desorption kinetics analysis, Na?ZSM-5 shows better regeneration potential due to its large pore size and moderate adsorption strength. In this study, the mechanism of alkali-metals modification on adsorption behavior of toluene was systematically investigated from two aspects of steric hindrance and adsorption strength to provide a certain reference for selecting suitable adsorbent in complex practical environment.
- zeolite /
- toluene /
- steric hindrance /
- adsorption strength /
- alkaline metals modification

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碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

1. 北京科技大学

2. 北京科技大学能源与环境工程学院

网络出版日期: 2020-10-09

中图分类号: X513

关键词:

分子筛 /

甲苯 /

空间位阻 /

吸附强度 /

碱金属改性

摘要: ZSM-5是一种常用来吸附甲苯的微孔吸附剂，本文选择三种碱金属Li、Na和K对ZSM-5进行改性，结合表征手段和数学模型的方式研究引入ZSM-5中的碱金属对微孔结构和吸附甲苯的影响。在此实验中，分别从吸附容量、放热能量、扩散阻力和脱附活化能四方面深入探讨碱金属对吸附甲苯的影响规律。基于实验结果得知：碱金属的引入改变了ZSM-5分子筛的微孔结构并呈现出一定的规律。随着离子半径(Li+<Na+<K+)的升高，ZSM-5的孔径、比表面积和孔体积随之降低，影响规律为Li?ZSM-5 > Na?ZSM-5 > K?ZSM-5。静态饱和吸附量呈Li?ZSM-5 (0.363mmol/g)>Na?ZSM-5 (0.360mmol/g）>K?ZSM-5 (0.325mmol/g)排序。恒定浓度波模型很好的描述甲苯在ZSM-5上的吸附扩散行为，空间位阻和静电束缚力分别在高低进气浓度条件下对甲苯在ZSM-5孔道中的扩散占据主导作用，较高进气浓度(155mg/m3)条件下，碱金属改性对扩散阻力影响规律为Li?ZSM-5<Na?ZSM-5<K?ZSM-5；较低进气浓度 (25mg/m3)条件下，影响规律为Li?ZSM-5>Na?ZSM-5>K?ZSM-5。结合脱附动力学分析，Na?ZSM-5因具有较大的孔径和适中的吸附强度表现出更好的再生潜能。本研究从空间位阻和吸附强度两方面系统阐述了碱金属改性对甲苯吸附行为的影响机理，为在复杂的实际环境应用中选择合适的吸附剂提供了一定的参考意义。

English Abstract

Influence and mechanism of alkaline metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption

Available Online: 2020-10-09

Keywords:

Abstract: ZSM-5 as a microporous adsorbent was extensively applied to adsorb toluene. In this paper, ZSM-5 was exchanged with alkali metals Li, Na and K for the purpose of adsorbing toluene. The effects of alkali metals introduced into ZSM-5 on micropore structure and toluene adsorption were studied by characterization technology and mathematical model. In this investigation, the influence of alkali metals on the adsorption of toluene was discussed from four aspects: adsorption capacity, exothermic energy, diffusion resistance and desorption activation energy. Based on the experimental results, it was found that the introduction of alkali metal affected the microporous structure of ZSM-5 with certain rules. The order of pore size, specific surface area and pore volume of ZSM-5 follow Li?ZSM-5 > Na?ZSM-5 > K?ZSM-5 with the increase of ionic radius (Li+<Na+<K+). The static saturated adsorption capacity follow Li?ZSM-5 (0.363mmol/g)>Na?ZSM-5 (0.360mmol/g）>K?ZSM-5 (0.325mmol/g). The constant concentration wave model can well fit the adsorption and diffusion behavior of toluene onto ZSM-5. The steric hindrance and electrostatic binding force play a dominant role in toluene diffusion in ZSM-5 channel at high and low inlet gas concentrations, respectively. At higher inlet concentration (155mg/m3), the influence of alkali metal modification on the internal diffusion resistance onto three adsorbents followed Li?ZSM-5<Na?ZSM-5<K?ZSM-5; while at lower inlet concentration (25mg/m3), the trend was inverse with Li?ZSM-5>Na?ZSM-5>K?ZSM-5. In Combination with desorption kinetics analysis, Na?ZSM-5 shows better regeneration potential due to its large pore size and moderate adsorption strength. In this study, the mechanism of alkali-metals modification on adsorption behavior of toluene was systematically investigated from two aspects of steric hindrance and adsorption strength to provide a certain reference for selecting suitable adsorbent in complex practical environment.

崔永康, 邢奕, 苏伟, 王嘉庆. 碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究[J]. 工程科学学报. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

引用本文:

崔永康, 邢奕, 苏伟, 王嘉庆. 碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理研究[J]. 工程科学学报. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

Influence and mechanism of alkaline metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption[J]. Chinese Journal of Engineering. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

Citation:

Influence and mechanism of alkaline metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption[J]. Chinese Journal of Engineering. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001