Co3O4/UiO-66@α-Al2O3陶瓷膜对VOCs废气的分离催化性能

doi:10.7503/cjcu20220025

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 20220025.doi: 10.7503/cjcu20220025

Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜对VOCs废气的分离催化性能

姜宏斌¹^,²(), 代文臣¹^,², 张娆²^,³, 徐晓晨², 陈捷², 杨光¹, 杨凤林²

^1.沈阳理工大学环境与化学工程学院, 辽宁省废水治理技术重点实验室, 沈阳 110158
^2.大连理工大学环境学院, 工业生态与环境工程教育部重点实验室, 大连 116081
^3.核工业二四○研究所, 沈阳 110032

收稿日期:2022-01-10 出版日期:2022-06-10 发布日期:2022-02-28
通讯作者: 姜宏斌 E-mail:jianghb@sylu.edu.cn
基金资助:
工业生态与环境工程教育部重点实验室开放基金(KLIEEE-21-05);辽宁省科技重大专项项目(2019020171-JH1/103-04)

Research on Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃ Ceramic Membrane Separation and Catalytic Spraying Industry VOCs Waste Gas

JIANG Hongbin¹^,²(), DAI Wenchen¹^,², ZHANG Rao²^,³, XU Xiaochen², CHEN Jie², YANG Guang¹, YANG Fenglin²

^1.Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology of Liaoning Province，School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110158，China
^2.Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering，Ministry of Education，School of Environmental Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116081，China
^3.Research Institute of No. 240，China National Nuclear Corp（CNNC），Shenyang 110032，China

Received:2022-01-10 Online:2022-06-10 Published:2022-02-28
Contact: JIANG Hongbin E-mail:jianghb@sylu.edu.cn
Supported by:
the Open Foundation of Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering, Ministry of Education, China(KLIEEE-21-05);the Liaoning Provincial Science and Technology Major Project, China(2019020171-JH1/103-04)

摘要/Abstract

摘要：

以α-Al₂O₃为支撑层, UiO-66为分离层, Co₃O₄为催化层, 构建了Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜.对其形貌结构进行了表征, 并研究了其对挥发性有机物(VOCs)的分离催化性能. 结果表明, 该陶瓷膜对喷涂行业废气中苯与吡啶两种主要成分体现出良好的分离性, 透过侧的气体中吡啶与苯的摩尔浓度比值可由给料侧的1提高至17; 体系中引入臭氧后, 给料侧苯的浓度明显降低, 其去除率可达到89%. 透过侧的吡啶去除率仅为27%, 得到了较大程度的保留, 剩余的吡啶经收集后可进行单独的深度处理. Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜在对喷涂行业废气中苯成分高效降解的同时, 能够有效解决喷涂行业废气处理过程中氮氧化物的排放问题, 有望成为喷涂行业废气预处理工艺的理想选择.

关键词: 膜分离, 催化臭氧氧化, 喷涂行业废气, 金属有机框架, 吸附能

Abstract:

Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃ ceramic membranes were constructed with α-Al₂O₃ as the support layer， UiO-66 as the separation layer， and Co₃O₄ as the catalytic layer. The ceramic membrane exhibits outstanding separation performance of benzene/pyridine. The molar concentration ratio of pyridine to benzene in the gas on the permeate side can be increased from 1 to 17 on the feed side. After O₃ was introduced into the system， the concentration of benzene on the feed side was significantly reduced， and its removal rate can reach 89%. The removal rate of pyridine on the permeate side was only 27%， which was retained to a large extent， and the remaining pyridine could be collected for separate advanced treatment. The Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃ ceramic membrane can effectively solve the emission problem of nitrogen oxides in the waste gas treatment process of the spraying industry， and is expected to be an ideal choice for the waste gas pretreatment process of the spraying industry.

Key words: Membrane separation, Catalytic ozonation, Waste gas from spraying industry, Metal organic frameworks（MOFs）, Adsorption energy

中图分类号:

O643

TrendMD:

姜宏斌, 代文臣, 张娆, 徐晓晨, 陈捷, 杨光, 杨凤林. Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜对VOCs废气的分离催化性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220025.

JIANG Hongbin, DAI Wenchen, ZHANG Rao, XU Xiaochen, CHEN Jie, YANG Guang, YANG Fenglin. Research on Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃ Ceramic Membrane Separation and Catalytic Spraying Industry VOCs Waste Gas. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220025.

图/表 15

Fig.1 SEM image(A), TG and DTG analysis curves(B) of the UiO?66 seed particles

Fig.2 N2 adsorption?desorption isotherm(A), pore size distributions(B) of UiO?66 seed powder and UiO?66 separation layer powder

Table 1 Structure parameters of UiO-66 seed powder and UiO-66 separation layer powder

Sample	S_BET/（m²·g^-1）	Average pore size/nm
UiO?66 seed powder	1016.27	0.59
UiO?66 separation layer powder	1003.19	0.59

Fig.3 SEM(A—F) and AFM(G—I) images of membrane material（A） Support layer surface；（B） separation layer surface；（C） ceramic membrane surface；（D） support layer section；（E） separation layer section；（F） ceramic membrane section；（G） support layer；（H） separation layer；（I） ceramic membrane.

Table 2 Surface roughness of support layer, separation layer and Co3O4/UiO-66@α-Al2O3 ceramic membrane

Membrane material	Roughness
Membrane material	R_q/nm	R_a/nm	R_z/nm
α?Al₂O₃	122.75	93.98	1063.14
UiO?66@α?Al₂O₃	268.11	203.67	1870.07
Co₃O₄/UiO?66@α?Al₂O₃	155.67	120.33	1284.52

Fig.4 SEM image(A) and EDS mapping images of Al(B), O(C), Zr(D), (Co)(E) of Co3O4/UiO?66@α?Al2O3 ceramic membrane

Fig.5 XRD patterns(A) of support layer(a), seed(b) and Co3O4/UiO?66@α?Al2O3 ceramic membrane(c), TEM image(B) and SAED pattern(inset) of Co3O4 particles

Fig.6 Co2p XPS spectrum of Co3O4/UiO?66@α?Al2O3 ceramic membrane(A) and O1s (B) spectra of α?Al2O3 support layer and Co3O4/UiO?66@α?Al2O3 ceramic membrane

Table 3 XPS data of α-Al2O3 and Co3O4/UiO-66@α-Al2O3

Sample	Element ratio（%）
Sample	Co²⁺	Co³⁺	O _α /（O _α +O _β ）
α?Al₂O₃			30.8
Co₃O₄/UiO?66@α?Al₂O₃	54.3	45.7	43.7

Fig.7 Effect of feed side pressure on flux(A—C) and separation performance(D) of ceramic membrane（A） N2；（B） benzene；（C） pyridine.

Fig.8 Effect of reaction temperature on flux(A—C) and separation performance(D) of ceramic membrane(A) N2; (B) benzene; (C) pyridine.

Fig.9 Stability of separation performance of Co3O4/UiO?66@α?Al2O3 ceramic membrane

Fig.10 Removal rate of benzene and pyridine on the feed side of UiO?66@α?Al2O3 separation layer and Co3O4/UiO?66@α?Al2O3 ceramic membrane

Fig.11 2D and 3D models of UiO?66 material(A), pore structure and corresponding pore size of UiO?66 (B), adsorption energy of UiO?66 pore structure for benzene adsorption(C), adsorption energy of pyridine on UiO?66 pore structure(D)

Fig.12 Radical signals captured in benzene and aqueous solutions

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Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜对VOCs废气的分离催化性能

Research on Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃ Ceramic Membrane Separation and Catalytic Spraying Industry VOCs Waste Gas

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