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Y型分子筛在环保领域的应用
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Y型分子筛在环保领域的应用

2019-09-09      阅读:
本文简要介绍了Y型分子筛,总结了其在脱氮、脱硫、吸附一氧化碳、吸附二氧化碳和地沟油制生物柴油等环保方面的应用现状,并指出了Y型分子筛在环保领域的应用发展方向。
Y型分子筛作为传统催化剂活性组分和载体,主要应用于重油和渣油的催化裂化、加氢裂化和异构化等炼油过程[1]。近年来,Y型分子筛在陶瓷膜材料、吸附材料和环境保护等方面也有了新的应用,本文介绍了Y型分子筛在催化和吸附分离等环保方面的应用现状,指出了Y型分子筛在环保领域的应用发展方向。
1Y型分子筛简介
Y型分子筛属FAU结构,其骨架由SOD笼和六方柱笼构成。SOD笼间通过六方柱笼连接。SOD笼和六方柱笼连接围成八面沸石笼,是八面沸石的主晶穴,其最大直径为1.18nm。八面沸石笼间通过12元环相连,孔口直径为0.74nm。每个晶胞由8个八面沸石笼、8个SOD笼和16个六方柱笼构成三维孔道体系(如图1)。
Y型分子筛在环保领域的应用
2Y型分子筛的应用
2.1脱氮
Y型分子筛用于脱氮过程分为吸附脱氮和化学反应脱氮。
唐克等[2-4]考察了NH4+、Zn2+、Cu2+、Cr3+和Ni2+阳离子改性NaY分子筛的吸附脱氮性能,改性分子筛的吸附脱氮性能与金属离子的价态成正相关。王栩等[5]采用离子交换法改性NaY分子筛制备Cu(I)Y、Zn(II)Y、Ni(II)Y和Ag(I)Y分子筛并考察了其吸附脱氮行为。5种分子筛吸附氮容量为Cu(I)Y>Zn(II)Y>Ni(II)Y>Ag(I)Y>Na(I)Y。最优的Cu(I)Y分子筛吸附氮量为42.049mg/g,脱氮率为84.10%。
周丹红等[6]用密度泛函理论计算吡咯和吡啶分子在Li+、Na+、K+、Cu+、Ag+交换的Y分子筛的π-络合吸附作用,吸附作用能Cu(I)Y>Ag(I)Y>Li(I)Y>Na(I)Y>K(I)Y。过渡金属阳离子与含氮杂环化合物间通过π-络合吸附来将其脱除。
沈健等[7-9]考察了稀土Y、USY和柠檬酸处理的Y型分子筛的吸附脱氮行为。对含喹啉的十二烷溶液进行静态吸附试验,其最高的脱氮率可达57.83%。对桦甸页岩柴油进行了吸附脱氮研究,结果表明Y分子筛吸附脱氮过程符合二级吸附速率方程。
周仁贤等[10]系统研究了Cu-Ce改性USY催化剂的NH3-SCR性能,得出Cu-USY的催化活性与其还原性相关,添加Ce可以拓展其低温活性。刘静等[11]考察了添加金属元素Fe、Co、Ni和Ce的负载锰基USY
催化剂的脱硝性能。其中10%Mn~15%Ce/USY不论从低温脱硝活性还是活性温度窗口来看,效果都是最好。80ºC下其脱硝效率为51.2%,160ºC达到95.8%,160~320ºC脱硝效率稳定在96%左右。
黄梅梅和周亚松等[12-13]通过原位生长法制备了TiO2-SiO2与HY分子筛以及与经柠檬酸预处理的HY分子筛构成的重馏分油加氢精制催化剂,并以胜利焦化蜡油为原料评价了其加氢脱氮性能。通过将P引入Y分子筛来改善其酸性分布,提高催化剂的金属分散性。
刘百军等[14]采用水热法与草酸脱铝相结合法对Y分子筛进行改性,用孔体积饱和浸渍法制备了Ni-W/γ-Al2O3-USY加氢脱氮催化剂,考察了改性Y分子筛对催化剂的酸性及催化剂的HDN活性的影响。 
2.2脱硫
时雪梅和郭新闻等[15-16]采用两步液相离子交换法制备AgKY、AgMgY和AgCaY双金属吸附剂并评价了其吸附脱硫性能。K+、Mg2+和Ca2+可提高AgY的L酸含量及还原性,进而增强其对硫吸附性能。Cu2+
交换改性的NaY分子筛具有良好的吸附脱硫性能,有机硫组分上硫电子密度越大,该吸附剂对其的吸附选择性越大。
杨岗和宋华等[17]通过连续脱铝脱硅和液相离子交换法制备了微-介孔meso-AgCeY吸附剂并考察了吸附噻吩的性能,该吸附剂对噻吩的吸附过程是自发的,且再生后性能良好。
谭亚洲和周兴贵等[18]制备了多级孔Y分子筛担载Ni2P催化剂并在工业反应条件下考察了其加氢脱硫性能。催化剂性能与多级孔Y型分子筛制备过程相关。通过TPOAC合成多级孔Y型分子筛的催化剂和采用重结晶法合成法并用柠檬酸预处理合成Y型分子筛的催化剂上4,6-DMDBT的转化率分别为81.6%和96.2%。
宋丽娟等[19,20]用离子交换法制备了Cu(I)Y、Ce(Ⅲ)Y、Ni(Ⅱ)Y分子筛并研究了其吸附噻吩类硫化物的机理。改性分子筛表面B酸中心对噻吩类硫化物的选择性吸附脱硫性能至关重要。宋丽娟等[21]还采用液-固相同晶取代法制备了骨架含Ga的Y型分子筛,在室温、7h-1空速下,该吸附剂对噻吩、四氢噻吩、4,6-二甲基二苯并噻吩正壬烷溶液(硫含量500g·g-1)的硫吸附量分别为7.7、l7.4、14.5mg/gcat。
林立刚等[22]通过分子筛动态吸附性能分析得出,NaY、AgY、CeY的吸附容量分别为0.39、11.01、13.67mgS/g。吸附剂的穿透时间随着原料S浓度增加而缩短。
孙林平等[23]采用浸渍法制备了Y2O3/Y、CeO2/Y和La2O3/Y三种吸
附剂并考察了其吸附脱硫性能。结果表明,稀土氧化物负载量为5%时吸附脱硫性能达最高;在50ºC、1h、剂油比1:30条件下,吸附剂脱硫率均不低于60%。稀土金属氧化物在吸附过程中会发生流失。
2.3吸附一氧化碳[24]
Huang制备了Cu(I)Y分子筛并考察了其吸附CO的过程,该吸附剂对CO的吸附性能与表面Cu+的含量相关。
日本钢管公司发现Cu(I)Y分子筛负载适量CuCl可提高其吸附CO的选择性和吸附量,该吸附剂已工业化用于钢厂尾气分离提纯CO,通过一段变压吸附方式,CO回收率和纯度都很高。
汪贤来等负载1.2~1.8mmol/g的CuCl于CuY分子筛上,用其从CO、N2和CO2的混合气中吸附分离CO,CO的吸附量和选择性均有较大提高。 
北京大学谢有畅等利用单层分散原理将氯化亚铜通过固混加热的方式分散在NaY和CuY型等分子筛上,可大幅提高对CO的吸附量,该吸附剂已实现工业化。
2.4吸附二氧化碳
李涛和赵瑞红等[25]考察了吸附温度和吸附流量对NaY分子筛吸附模拟烟气中CO2吸附性能的影响。NaY分子筛对CO2吸附量为121.85mg/g,
吸附性能良好且稳定。在气体流量为90mL/min和100ºC下对NaY吸附剂进行再生,吸附剂可较好恢复对CO2的吸附性能。
2.5地沟油制生物柴油
Krisada等[26]制备了KOH/NaY催化剂,在棕榈油与甲醇摩尔比为1:15、催化剂用量为3~6wt%,温度70ºC、反应时间2~3h的条件下,10wt%KOH/NaY催化剂的生物柴油收率可达91.07%。
Brito等[27]研究了几种Al2O3含量不同的Y型分子筛催化餐饮废油酯交换反应制备生物柴油过程,在200~476ºC、甲醇/油摩尔比为6、常压下进行反应,在接近生物柴油规格之前,所得产品的粘度显著降低。
将活性组分CaO高度分散在NaY表面,提高了CaO的催化
活性。在30wt%CaO/NaY上,甲醇/大豆油摩尔比为9、温度65℃,反应时间3h,催化剂/油质量比为3%时,生物柴油收率为95%。
赵晨等[29,30]对Y分子筛先用水蒸气处理,再用四丙基氢氧化钠和哌啶的混合碱液进行脱硅处理后负载镍纳米颗粒,将其应用于体系复杂的地沟油中,成功实现地沟油的加氢脱氧高活性和高稳定性转化。
3结语
Y型分子筛的常规工业合成、离子交换、负载以及水热脱铝等常规工业改性技术均已十分成熟。目前,Y型分子筛主要还是大规模应用于传统石化领域,但这些领域的产能均已接近或达饱和。
近年来,Y型分子筛应用虽已拓展至更广泛新颖的环保领域,但该方向大部分应用研究还是相对较少、较浅。今后,我们还需继续拓展Y型分子筛的在环保领域的应用,深入挖掘其使用原理,使其未来在环保领域可以得到更加广泛地应用,推进环保科技的更好发展。

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