创新点
通讯作者简介
唐晓龙，博士，二级教授，博士生导师。北京科技大学科学技术研究院副院长，“大气污染控制与资源化”学术团队负责人，长期从事气态污染物协同净化技术及设备等方面的研究。入选“教育部新世纪优秀人才”，先后获得国家教学成果奖一等奖、环境保护科学技术二等奖、冶金科学技术二等奖、中国有色金属工业科学技术二等奖、宝钢优秀教师奖、海尔集团产学研合作贡献奖等。兼任中国工程教育认证协会环境类专业委员会委员、中国环境科学学会挥发性有机物污染防治专业委员会常委、中国有色金属学会环境保护学术委员会委员、《环境工程技术学报》编委、《材料导报》编委、北京生态修复学会理事等职务。先后主持国家重点研发计划-大气专项、国家自然科学基金联合重点、首都蓝天行动专项等科研项目20余项。发表SCI论文300余篇，他引8000余次，H指数42，授权发明专利34项。
易红宏，北京科技大学能源与环境工程学院教授，博士生导师，北京科技大学人事处副处长/教师工作部副部长，兼任中国有色金属学会技术专家工作委员会委员，《环境工程》期刊编委，中国工程教育认证，专家等。主要从事气态污染物协同净化和典型VOCs净化技术研究。入选教育部新世纪优秀人才、云南省中青年学术和技术带头人后备人才。获云南省技术发明一等奖、中国有色金属工业科学技术二等奖、中国环境科学学会青年科技奖、北京市高等教育教学成果奖二等奖等。先后主持国家自然科学基金、国家863计划重点项目、北京市科技计划项目、河北省科技支撑计划重点项目等课题10余项。在Environmental Science & Technology、Nano Research等SCI国际学术期刊发表论文300 余篇，H指数38，他引2300余次，ESI高被引论文2篇、前3%论文5篇；出版专著2部，编著3部；授权发明专利30余项，授权实用新型专利10余项。
第一作者简介
张媛媛，博士研究生，在唐晓龙教授、易红宏教授指导下开展分子筛基环境功能材料用于VOCs的吸附/催化去除，2022年赴英国伦敦大学学院联合培养，参与北京市科技计划、国家重点研发计划及校企联合项目等课题6项，获全国大学生等离子体科技创新竞赛二等奖，多次获得北京科技大学三好研究生，《环境工程原理》《大气污染控制工程》课程助教，参与学术会议10余次，其中国际会议4次，在学期间在Separation and Purification Technology、Journal of Environmental Sciences、《现代化工》等期刊发表论文共6篇，授权专利2项。
碱处理多级孔钛硅分子筛疏水吸附VOCs研究
作者
单位
1. 北京科技大学 能源与环境工程学院
2. 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室
基金项目
1. 国家重点研发计划资助项目（2023YFB3810800）
2. 国家自然科学基金联合基金项目重点支持资助项目（U20A20130）
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摘要
在一段时间内我国能源结构仍将以燃煤为主，针对燃煤烟气中VOCs的治理，本研究采用具有MFI拓扑结构的钛硅分子筛TS-1进行吸附减排。通过使用不同强度和性质的碱溶液(NaOH、NH4OH、TPAOH)对其进行处理，构建了具有差异化多级孔结构的材料，并调控了分子筛中硅烷醇基团Si—OH(包括外表面孤立硅烷醇基团和内部缺陷位点羟基巢)的相对含量，以提高分子筛疏水吸附VOCs能力。通过XRD、BET、UV-vis、IR、SEM与TEM等手段考察了分子筛骨架结构、内部缺陷和其他性质的变化。研究结果显示，NaOH溶液会严重刻蚀分子筛骨架，导致有序孔道数量减少、缺陷含量增加，从而使吸附能力大幅下降；NH4OH处理可以疏通分子筛孔道，去除无定型硅物种，提高吸附VOCs的性能，但疏水能力略微下降；而TPAOH处理过程中的“溶解-再结晶”效应导致大量有序骨架生成，微孔发达程度显著提高，分子筛内部缺陷得到修复，吸附VOCs的性能与疏水性能都明显提升，VOCs的吸附容量提高了50%，而静态水吸附容量降低了18%。
研究背景
我国煤炭消费占能源消费总量的比重超过一半，煤烟型污染仍然是我国大气污染的主要类型，对大气环境和人体健康均存在不可忽视的影响。燃煤烟气中除了NOx和SO2，还含有大量的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）。资料显示，燃煤VOCs排放占工业源排放总量的37%。燃煤烟气中的VOCs主要包含苯系物、己烷、庚烷等，并含有一定量的水蒸气。对于低浓度VOCs的净化，通常采用吸附富集-催化转化的方法，先将大风量、低浓度的VOCs截留在吸附剂中，随后通过解吸手段，将其转化为小风量、高浓度的污染物，便于后续净化处理。因此，用于吸附富集VOCs的材料不仅应具备良好的VOCs吸附容量，还应展示较强的疏水性，以满足燃煤烟气VOCs的净化需要。在具有多孔结构的物理吸附材料中，分子筛因具有高度有序微孔结构、可调的结构性质以及较强的热/水热稳定性，是应用前景广阔的吸附剂材料。其中，具有MFI拓扑结构的分子筛是目前VOCs吸附转轮中应用最为广泛的材料之一。本团队前期研究开发了一系列性能优良的分子筛吸附剂，可实现混合VOCs气体的同时吸附，并发现分子筛骨架中非硅原子（Al、Ti、Mn、Cu、Mo等）的存在能够有效促进VOCs的吸附。在此基础上，本文选取具有较为优异抗水吸附性能的TS-1分子筛（钛硅骨架的MFI分子筛），以甲苯为VOCs模型化合物，针对微孔结构造成的VOCs传质限制的问题，提出采用碱溶液刻蚀构造多级孔结构，溶解分子筛骨架中的Si—O—Si键，破坏局部骨架，从而形成介孔孔道和空穴，进而改善微孔分子筛在扩散性能上的限制，使吸附质分子迅速到达/离开活性位点，提高吸附效率。本文分别选用无机强碱NaOH、无机弱碱NH4OH、有机碱性模板剂TPAOH作为碱源，对TS-1分子筛进行后处理，考察3种不同性质的碱溶液对TS-1结构、形貌及表面性质的影响，以提高分子筛的吸附能力，获得更加优异的含湿VOCs减排效果。
部分图片
图1 不同碱溶液后处理的TS-1对VOCs的动态吸附测试
图2 不同分子筛的结构性质
图3 不同样品中Ti物种的UV-vis谱图
