【业内分享】沸石分子筛在VOCs治理系统中的应用

通常自然界存在的结晶型硅铝酸盐称为沸石，人工合成的称为分子筛。1959年，美国联合碳化物公司的密尔顿博士的第一个人工合成分子筛的专利被批准下来下来，至此人工沸石分子筛的应用更加广泛。本文简单为大家介绍沸石分子筛在VOCs治理系统中的应用。

沸石的特点浅谈

沸石分子筛吸附是利用物理吸附，将VOCs吸附到分子筛内部，再通过升高温度使得VOCs逸出，完成吸附和脱附的全过程。

沸石分子筛的吸附主要是择形吸附，利用吸附质的分子形状和大小，以及分子极性和不饱和度来进行选择吸.

特点1：选择吸附通过对二氧化硅和氧化铝极有规律的连接，形成的沸石分子筛的微孔具有均匀性，使得其吸附具有选择性。虽然沸石分子筛没有活性炭或硅胶、树脂的吸附物质的种类广泛，但是目标污染物的吸附效率大大提高。

特点2：种类繁多 沸石分子筛通过硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成的分子尺寸大小（通常为0.3nm至2.0 nm）的孔道和空腔体系，从而具有筛分分子的特性。氧环通过氧桥连结，形成具有三维空间的多面体，多面体有中空的笼，笼状结构是分子筛的骨架结构。不同结构的笼再通过氧桥相互联结形成各种不同结构的分子筛。如A型、ZSM-5等。

特点3：性能可优化改变二氧化硅和氧化铝的比例，可以调节分子筛的吸附能力。高硅沸石分子筛显著改变其疏水性，同时也改变了其耐温性。实现了对VOCs工况的适应性扩展。减小高湿环境以及环境温度变化对吸附浓缩效果的影响。

在沸石晶体的构造中存在离子（钠、钾、钙等），通过阳离子的交换，可以改变孔径，从而实现更高效的吸附目标污染物。

特点4：安全性还有就是沸石材料本身是不燃物质，在应用的安全性上有保障。

沸石分子筛应用类型

从沸石分子筛的合成到集成装置的应用，其核心在于不同类型沸石分子筛的选择以及负载工艺的优化。

1986年，瑞典的蒙特公司率先将蜂窝状沸石转轮用于VOCs废气处理。1988年，日本株式会社西部技研公司将加工成波纹形和平板形的陶瓷纤维纸用无机黏合剂粘结在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮，然后将疏水性沸石涂覆在蜂窝状通道的表面得到吸附转轮，并将其成功用于VOCs的净化处理。目前，市场的沸石转轮进口品牌有蒙特、西部技研、霓佳斯以及东洋纺公司。虽然国内的沸石吸附浓缩装置起步较晚，但目前也有几家品牌在市场上大量的实践应用。

沸石转轮的基材基本都选择了以玻璃纤维为主的涂敷法，其中东洋纺采用湿法抄纸法工艺提进行蜂窝沸石制作，提高了沸石负载量。

01盘式转轮

盘式沸石转轮结构分区为吸附区、再生区以及冷却区三个部分。一般都是10：1：1的分区比例，也有采用45°脱附区和45°冷却区。

吸附区：废气迎风面，一般风速控制在2-4Nm/s，净化效率一般在90-97%。净化气进入烟囱。

冷却区：一般采用制程气进行冷却，一方面降低了冷却区沸石的温度，使得其具有吸附性。另一方面实现了热能回收。这个气体也就是脱附气。

脱附区：将经过热回收的气体，再进行加热温度到200℃左右，进入脱附区进行冷却。脱附再生的风量一般是进气的10-20倍。当进行高温再生，最高温度可达到300℃左右，需要在设计时选择高温再生型转轮。

02筒式转轮

筒式沸石转轮来自日本东洋纺，除了材料加工上的差异，从结构上和盘式有很大的区别，利用模块化沸石材料填充成筒状结构，来实现VOCs的吸附浓缩。

结构分区上没有了盘式的冷却区，当浓缩倍率一样的话，其脱附能耗高于盘式转轮。筒式转轮的浓缩倍率最高可以做到50倍，浓缩倍率越高其搭配的燃烧装置或其他就规格越小，还有其模块化沸石，便于安装和维护，也是设备的一大特点。

03固定床沸石分子筛

不论筒式转轮或盘式转轮，其应用场景都要求工况具有连续性。因此在固定床活性炭发展的基础上，通过改变吸附材料，形成了固定床的蜂窝沸石分子筛吸附床。目前少量应用在市场。由于沸石分子筛的特性，其动态吸附容量远小于活性炭，且脱附温度高（250℃左右）。采用固定床系统对阀门的气密性、固定床的保温、脱附温升的控制等方面都加大了系统复杂。固定床沸石系统的应用，还需要积累经验和优化难点解决方案。

总结

针对沸石转轮的应用，常见的组合工艺有沸石转轮+燃烧系统（TO/RTO/CO/RCO)，沸石转轮+活性炭固定床吸附+冷凝、沸石转轮+冷凝（NMP回收）等。

尽管目前沸石转轮系统已经称为全球公认的最高效的吸附浓缩技术，也不得不承认其本身具备一定的局限性。比如废气的组分复杂，很多工况难以明细其废气的真实浓度、组分或其浓度、组分具有变化性，沸石的应变能力就捉襟见肘。

没有万能的设备或工艺，适合的才是最好的。针对大风量、低浓度，连续工况，常规VOCs，转轮的吸附浓缩是最佳的工艺选择。随着沸石分子筛、活性炭纤维、树脂等吸附材料的研究与发展，未来市场的VOCs治理工艺更加繁多，优化出合适工况的组合工艺，从投资和运行以及安全综合解决末端VOCs治理问题。