改性处理对5A和13X分子筛氢及杂质气体吸附性能影响研究

【摘要】我国热核聚变实验堆计划(ITER)氚提取系统(TES)设计采用含有0.1vO1.%H2的He载带气吹扫聚变产生的氢同位素气体,之后采用分子筛对混合气体中的氢同位素进行回收,以及对混合气体中少量的CO和CH4进行吸附纯化,以维持循环载带气的纯度。5A和13X分子筛在液氮温度(77K)对氢同位素气体和CO、CH4具有良好的吸附性能。比表面积、孔径及孔容是影响分子筛低分压气体吸附的主要因素,本文通过NaOH碱处理、Li+和H+替换对5A和13X进行改性处理,以期实现对两种分子筛改性,提高其氢同位素和气体和杂质气体吸附性能。采用SEM、XRD、ICP-AES、BET、TG-MS和GC分别对改性处理5A和13X分子筛表面形貌、晶体结构、离子替换率、比表面积、脱附和动态吸附性能进行了研究。得到主要结论如下：碱处理溶解5A分子筛骨架中硅元素引入介孔,增加其比表面积、孔容积和平均孔径,但不改变物相。碱处理5A分子筛在77K对0.1-0.3vO1.%H2吸附容量与碱处理前基本相同,尾气中氢浓度均低于1ppm。由于低分压H2在分子筛中主要为微孔填充和单分子层吸附,而碱处理引入的介孔对低分压H2几乎不吸附,因此不能提高其对低压氢的吸氢容量。Li+和H+替换不影响5A分子筛的孔容积、比表面积和晶体结构,但随着替代率增加而增大了对低分压氢吸附容量。30.3%Li+和48.1%H+替换率样品对0.3vO1.%H2吸附量分别为18.8ml/g和18.2ml/g,高于未处理样品的15.4ml/g。这主要是由于小半径阳离子替换分子筛中大离子半径的Na+和Ca2+后,增加了分子筛骨架中氧原子对H2分子的吸附力,且两个一价阳离子替换一个二价Ca2+增加了骨架中的吸附位点,提高H2吸附容量。碱处理增加了13X分子筛比表面积和介孔容积,但不改变分子筛的物相。碱处理样品77K对0.1vO1.%的CO和CH4吸附容量为122.26ml/g和87.02ml/g,略低于未处理13X的126.64ml/g和90.12ml/g。这是因为碱处理在13X分子筛骨架中引入介孔,减少了可供CO和CH4吸附的微孔。碱处理前后样品对浓度0.001vol.%-O.1vol.%CO和CH4吸附后尾气浓度均低于0.1ppm。Li+或H+替换13X分子筛中Na+后,样品对CO和CH4吸附容量显著增加,且表现出替换离子半径越小、替换率越高样品对低分压CO和CH4吸附量越大的变化规律。67.10%Li+替换率样品对0.1vO1.%CO和CH4吸附量分别为147.79ml/g和114.80ml/g,而78.30%H+替换率样品吸附量分别为154.56ml/g和123.45ml/g,尾气中气体浓度均低于0.1ppm。替换离子半径减小,增大了骨架中氧原子与CO、CH4分子吸附力,增加了其吸附容量。
【作者】张云林；
【导师】刘晓鹏；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】5A分子筛；13X分子筛；碱处理；离子替换；H2吸附；CO吸附；CH4吸附；

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