·1536 工程科学学报，第43卷，第11期 载气装置、甲苯气源装置、吸附柱和VOCs检测仪 到千净的空气作为载气，由质量流量计(Mass flow 四部分构成.空气被压缩机排放到缓冲罐中，储存 controller,MFC)I控制其流量，甲苯标气流量由 在缓冲罐的空气经过干燥装置和高效空气过滤器 MFC2控制.通过控制载气和甲苯流量调节甲苯 (High efficiency particulate air filter,,Hepa)处理后得 进气浓度并保持进气流量不变 Adsorption column Clean air Dummy column Toluene analyzer KMnO,solution Toluene 图1吸附甲苯实验流程图 Fig.1 Schematic of toluene adsorption system 吸附柱内径为7mm,柱内装填粒径为250~ 2理论计算 425um质量70~80mg的吸附剂和相同粒径质量 吸附剂的动态吸附饱和量为 700~800mg的石英砂.吸附柱设置空白组和实验 组，载气和甲苯混合之后的气体通入到空白组，待 90= 0 mZSM-5 (Co-Gd) (1) VOCs检测仪示数稳定后记录此数值标记为进气 其中：9o为吸附容量，molg;Q为总气体流速， 浓度C,同时通过三通阀门将进气切换到实验组 m3min;mzsM5为吸附实验吸附剂质量，g;Co为 末端设置酸性高温酸钾溶液吸收甲苯尾气 甲苯进气浓度，molm3;t为吸附时间，min;C,为 使用热重分析仪(TGA,Q50,美国沃斯特公 t时刻的甲苯进气浓度.molm3 司)对已吸附饱和的ZSM-5分子筛进行脱附实验， 吸附剂的静态饱和吸附量Langmuir-Freundlich 得到质量变化(TG)曲线和质量变化速率(DTG)曲 (L-F)山和Freundlich表达公式分别为： 线.首先对100mg吸附剂进行预处理以去除含有 (2) 的水分和气体以及其它杂质，放入含有20mL甲 9L-F=9m(KL-FPy 1+(KL-FP) 苯溶液的烧杯中并振动，密封之后在室温静置6h 9F KEpl/n (3) 使得吸附剂吸附甲苯饱和，在120℃烘箱中干燥 其中：q-F为L-F饱和吸附量，mmolg;qm为最 1h去除多余的甲苯液体得到脱附实验样品.上述 大吸附量，mmol g;K-F为L-F模型吸附作用能 3种脱附样品分别取三份20mg左右共计9份样 常数；y为校正吸附位与吸附分子系数：P为吸附质分 品放入铝质托盘中，脱附程序为30℃温度下恒温 压，量纲为一；9E为Freundlich饱和吸附量，mmolg; 1min后记录数据，分别以10,20,30Kmin的升 Ke为Freundlich吸附容量常数，mmol-g;n为吸附 温速率加热.在500℃温度下样品质量不再下降， 强度，量纲为一 脱附基本达到平衡，此时停止记录数据.恢复初始 作为吸附作用强度的重要依据，为了更进一 平衡温度降至室温，准备下一组脱附实验 步求出吸附过程中放热数值的变化，使用范特霍 1.3表征仪器 夫方程公式1和吉布斯自由能公式计算熵变和焓 X射线衍射仪(D8 Advace,Bruker);电感耦合 变，公式如下： 等离子体-原子发射光谱仪(ICP2070,Baird):全自 Ink=_AH AS (4) 动比表面和孔径分布分析仪(Autosorb-l,美国康 RT+R 塔仪器公司)；多站重量法蒸气吸附仪(3H-2000W, △G=△H-T△S (5) 贝士德仪器有限公司). 其中：R为气体分子常数，8.314Jmo厂K:T为吸载气装置、甲苯气源装置、吸附柱和 VOCs 检测仪 四部分构成. 空气被压缩机排放到缓冲罐中，储存 在缓冲罐的空气经过干燥装置和高效空气过滤器 (High efficiency particulate air filter, Hepa) 处理后得 到干净的空气作为载气，由质量流量计 (Mass flow controller, MFC) 1 控制其流量 ，甲苯标气流量由 MFC2 控制. 通过控制载气和甲苯流量调节甲苯 进气浓度并保持进气流量不变. MFC 2 MFC 1 Adsorption column Pump Clean air Hepa Dryer Buffer Toluene analyzer Toluene Dummy column KMnO4 solution 图 1    吸附甲苯实验流程图 Fig.1    Schematic of toluene adsorption system 吸附柱内径为 7 mm，柱内装填粒径为 250～ 425 μm 质量 70～80 mg 的吸附剂和相同粒径质量 700～800 mg 的石英砂. 吸附柱设置空白组和实验 组，载气和甲苯混合之后的气体通入到空白组，待 VOCs 检测仪示数稳定后记录此数值标记为进气 浓度 C0，同时通过三通阀门将进气切换到实验组. 末端设置酸性高温酸钾溶液吸收甲苯尾气. 使用热重分析仪 (TGA, Q50, 美国沃斯特公 司) 对已吸附饱和的 ZSM-5 分子筛进行脱附实验， 得到质量变化（TG）曲线和质量变化速率（DTG）曲 线. 首先对 100 mg 吸附剂进行预处理以去除含有 的水分和气体以及其它杂质，放入含有 20 mL 甲 苯溶液的烧杯中并振动，密封之后在室温静置 6 h 使得吸附剂吸附甲苯饱和，在 120 ℃ 烘箱中干燥 1 h 去除多余的甲苯液体得到脱附实验样品. 上述 3 种脱附样品分别取三份 20 mg 左右共计 9 份样 品放入铝质托盘中，脱附程序为 30 ℃ 温度下恒温 1 min 后记录数据，分别以 10，20，30 K·min−1 的升 温速率加热. 在 500 ℃ 温度下样品质量不再下降， 脱附基本达到平衡，此时停止记录数据. 恢复初始 平衡温度降至室温，准备下一组脱附实验. 1.3    表征仪器 X 射线衍射仪 (D8Advace, Bruker)；电感耦合 等离子体−原子发射光谱仪 (ICP2070，Baird)；全自 动比表面和孔径分布分析仪 (Autosorb-1，美国康 塔仪器公司)；多站重量法蒸气吸附仪 (3H-2000W， 贝士德仪器有限公司). 2    理论计算 吸附剂的动态吸附饱和量为 q0 = Q mZSM−5 ( C0tf − w tf 0 Ctdt ) （1） 其中 ： q0 为吸附容量 ，mol·g−1 ； Q 为总气体流速 ， m 3 ·min−1 ；mZSM-5 为吸附实验吸附剂质量，g；C0 为 甲苯进气浓度，mol·m−3 ；t f 为吸附时间，min；Ct 为 t 时刻的甲苯进气浓度，mol·m−3 . 吸附剂的静态饱和吸附量 Langmuir-Freundlich (L-F)[11] 和 Freundlich 表达公式分别为： qL−F = qm(KL−FP) γ 1+(KL−FP) γ （2） qF = KFP 1/n （3） 其中： qL−F 为 L−F 饱和吸附量，mmol·g−1 ； qm 为最 大吸附量，mmol·g−1 ；KL−F 为 L−F 模型吸附作用能 常数；γ 为校正吸附位与吸附分子系数；P 为吸附质分 压，量纲为一；qF 为 Freundlich 饱和吸附量，mmol·g−1 ； KF 为 Freundlich 吸附容量常数，mmol·g−1 ；n 为吸附 强度，量纲为一. 作为吸附作用强度的重要依据，为了更进一 步求出吸附过程中放热数值的变化，使用范特霍 夫方程公式[12] 和吉布斯自由能公式计算熵变和焓 变，公式如下： lnK = − ∆H RT + ∆S R （4） ∆G = ∆H −T∆S （5） 其中：R 为气体分子常数，8.314 J·mol−1·K−1 ；T 为吸 · 1536 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期