工程科学学报.第43卷.第11期：1534-1542.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1534-1542,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001;http://cje.ustb.edu.cn 碱金属改性对ZSM-5结构和吸附甲苯特性的影响及机理 崔永康12)，邢奕2)，苏伟2)四，王嘉庆1,2) 1)北京科技大学能源与环境工程学院，北京1000832)工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者.Email:suwei3007@163.com 摘要ZSM-5是一种常用来吸附甲苯的微孔吸附剂，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ZSM5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ZSM5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(0.363 mmol-g)>Na-ZSM-5(0.360 mmol-g)>K-ZSM- 5(0.325mol·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，较高进气质量浓度(155mgm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;较低进气质量浓度(25mgm)条件下，影响规律为Li-ZSM-5>Na-ZSM- 5>K-ZSM5.结合脱附动力学分析，Na-ZSM5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 关键词分子筛：甲苯；空间位阻；吸附强度：碱金属改性 分类号X513 Influence and mechanism of alkali-metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption CUl Yong-kang 2),XING Yi2,SU Wei,WANG Jia-qing2 1)School of Energy and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:suwei3007@163.com ABSTRACT The microporous adsorbent ZSM-5 has been extensively applied for toluene adsorption.In this work,ZSM-5 was modified with alkali metals Li,Na,and K for toluene adsorption.The effects of the alkali metals introduced into ZSM-5 on the ZSM-5 microporous structure and toluene adsorption were studied via characterization techniques and mathematical modeling.Moreover,the influence of alkali metals on toluene adsorption was investigated from four aspects:adsorption capacity,exothermic energy,diffusion resistance,and desorption activation energy.The experimental results show that the introduction of alkali metal affect the ZSM-5 microporous structure in different aspects.The pore size,specific surface area,and pore volume of the modified ZSM-5 were of the following order:Li-ZSM-5>Na-ZSM-5>K-ZSM-5,corresponding to increasing ionic radius of the metals (Li'<Na'<K*). Likewise,the static saturated adsorption capacity was of the order:Li-ZSM-5 (0.363 mmol-g)>Na-ZSM-5 (0.360 mmol-g)> K-ZSM-5(0.325 mmol g).The constant concentration wave model could well fit the adsorption and diffusion behaviors of toluene 收稿日期：2020-07-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51770438)碱金属改性对 ZSM-5 结构和吸附甲苯特性的影响及机理 崔永康1,2)，邢    奕1,2)，苏    伟1,2) 苣，王嘉庆1,2) 1) 北京科技大学能源与环境工程学院, 北京 100083    2) 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室, 北京 100083 苣通信作者， Email：suwei3007@163.com 摘    要    ZSM-5 是一种常用来吸附甲苯的微孔吸附剂，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（0.363 mmol·g−1）>Na−ZSM-5（0.360 mmol·g−1）>K−ZSM- 5（0.325 mmol·g−1）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，较高进气质量浓度 (155 mg·m−3) 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；较低进气质量浓度 （ 25 mg·m−3）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. 关键词    分子筛；甲苯；空间位阻；吸附强度；碱金属改性 分类号    X513 Influence and mechanism of alkali-metal modification on ZSM-5 structure and toluene adsorption CUI Yong-kang1,2) ，XING Yi1,2) ，SU Wei1,2) 苣 ，WANG Jia-qing1,2) 1) School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: suwei3007@163.com ABSTRACT    The  microporous  adsorbent  ZSM-5  has  been  extensively  applied  for  toluene  adsorption.  In  this  work,  ZSM-5  was modified with alkali metals Li, Na, and K for toluene adsorption. The effects of the alkali metals introduced into ZSM-5 on the ZSM-5 microporous structure and toluene adsorption were studied via characterization techniques and mathematical modeling. Moreover, the influence of alkali metals on toluene adsorption was investigated from four aspects: adsorption capacity, exothermic energy, diffusion resistance,  and  desorption  activation  energy.  The  experimental  results  show  that  the  introduction  of  alkali  metal  affect  the  ZSM-5 microporous structure in different aspects. The pore size, specific surface area, and pore volume of the modified ZSM-5 were of the following  order:  Li−ZSM-5  >  Na−ZSM-5  >  K−ZSM-5,  corresponding  to  increasing  ionic  radius  of  the  metals  (Li+ <  Na+ <  K+ ). Likewise,  the  static  saturated  adsorption  capacity  was  of  the  order:  Li−ZSM-5  (0.363  mmol·g−1)  >  Na−ZSM-5  (0.360  mmol·g−1） > K−ZSM-5 (0.325 mmol·g−1). The constant concentration wave model could well fit the adsorption and diffusion behaviors of toluene 收稿日期: 2020−07−25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51770438） 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1534−1542，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1534−1542, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001; http://cje.ustb.edu.cn