铁掺杂改性SiO2的吸附脱氮性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0533

摘要/Abstract

摘要：

为构建新型高效吸附脱除氮化物材料，该研究在溶胶-凝胶过程中引入了铁物种，成功制备了铁含量为3%~5%（质量分数）的硅铁吸附材料SiFe-x，并通过固定床研究了其吸附脱氮性能。采用X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱仪（XRF）、氮气吸附等温线、程序升温氨吸附法（NH₃-TPD）等表征方法对多级孔硅铁吸附材料进行了表征分析，并与元素组成、孔径结构相对接近的无定形硅铝材料进行对比，考察材料的酸性质对于氮化物吸附脱除性能的影响。结果表明，氮化物吸附量与酸量呈正相关性，但较高的酸强度会导致氮化物难以脱除，进而使得吸附剂再生率下降。SiFe-4材料具有较高的氮元素饱和吸附量（20.8 mg/g），经4次吸附-再生循环后仍保留15.4 mg/g的吸附量，再生率可达74.04%。适宜的酸量和相对较低的酸强度使得SiFe-4兼顾了吸附量与再生能力，并且优于目前报道的传统介/微孔无机吸附材料，在吸附脱氮领域具有一定的应用潜力。

关键词: 铁掺杂改性, 二氧化硅, 吸附, 脱氮

Abstract:

In order to build a new material with high efficiency for nitrogen removal，iron species were introduced into the sol-gel process in this work.SiFe-x，a ferrosilicon adsorption material with iron content of 3%~5%（mass ratio），was successfully prepared，and its adsorption and denitrification performance was studied through a fixed bed.The ferrosilicon adsorption material was characterized and analyzed using characterization methods such as X-ray diffraction（XRD），X-ray fluorescence spectrometer（XRF），nitrogen adsorption isotherm，and temperature programmed ammonia adsorption（NH₃-TPD）.The material was compared with amorphous silicon aluminum materials with relatively similar elemental composition and pore size to investigate the effect of acidity on nitride adsorption and removal performance.The results indicated that the adsorption capacity of nitrides was positively correlated with the amount of acid，but higher acid strength could make it difficult to remove nitrides，thereby reducing the regeneration efficiency of the adsorbent.SiFe-4 material had a high nitrogen saturation adsorption capacity（20.8 mg/g），and after 4 cycles of adsorption regeneration，it still retained an adsorption capacity of 15.4 mg/g，with a regeneration efficiency of 74.04%.The appropriate amount of acid and relatively low acid strength enabled SiFe-4 to balance adsorption capacity and regeneration ability，and outperform traditional mesoporous/microporous inorganic adsorption materials currently reported.It had certain application potential in the field of adsorption denitrification.

Key words: iron modification, silica, adsorption, denitrification

中图分类号:

TQ127.2

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图/表 10

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样品名称	元素组成^a/%				孔结构			总酸量/（mmol·g^-1）
样品名称	w（SiO₂）	w（Fe₂O₃）	w（Al₂O₃）	w（杂质）	S_BET^b/（m²·g^-1）	V_Total/（cm³·g^-1）	D/nm	总酸量/（mmol·g^-1）
SiFe-3	96.75	2.98	0	0.27	625	0.55	3.5		0.498
SiFe-4	95.71	4.03	0	0.26	652	0.56	3.4		0.577
SiFe-5	94.77	4.97	0	0.26	651	0.54	3.3		0.616
SiAl-4	95.75	0	3.98	0.27	699	0.43	2.4		0.653

样品名称	静态饱和吸附量/（mg·g^-1）
样品名称	喹啉	苯胺	吡啶
SiFe-3	22.8	17.4	13.6
SiFe-4	25.7	20.1	15.9
SiFe-5	28.0	21.9	17.3
SiAl-4	30.6	24.1	20.4

样品名称	模拟油动态穿透		真实油动态穿透
样品名称	穿透吸附量/（mg·g^-1）	饱和吸附量/ （mg·g^-1）	穿透吸附量/ （mg·g^-1）	饱和吸附量/ （mg·g^-1）
SiFe-3	21.4	25.7	12.8	18.1
SiFe-4	23.8	27.6	14.3	20.8
SiFe-5	26.2	34.8	15.7	25.3
SiAl-4	29.7	40.2	17.8	30.6

样品名称	饱和吸附量/（mg·g^-1）		再生方式
样品名称	新鲜剂	循环1次的再生剂	再生方式
SiFe-4	20.80	15.6	溶剂再生+热氮气吹扫
Zn-MCM-41^［20］	17.79
Ni-Cr-Y^［21］	3.97
硅胶负载5%磷钼酸^［19］	2.09	1.86	焙烧550 ℃，5 h

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