Research Progress on Preparation of Hydrophobic Modification Zeolite and Its Application in Gas Purification Field

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1018

Abstract

Abstract:

Zeolite is widely used in the field of gas separation and purification due to their regular microporous structure， high specific surface area and excellent adsorption selectivity. However， the surface of traditional zeolite is rich in silicon hydroxyl（—Si—OH ） and aluminum hydroxyl（—Al—OH ）， and it is easy to adsorb water molecules preferentially in high humidity gas system， which will lead to pore blockage and decrease of adsorption capacity of target gas， thus seriously limiting the applicability of zeolite to complex working conditions. The surface chemical properties and pore environment of zeolite can be regulated by hydrophobic modification， which can significantly improve the water resistance of zeolite and become the core technology to solve this problem. In this paper， the hydrophobic modification methods of zeolite （such as silane coupling agent modification， surface coating modification， dealumination modification and multi-method synergistic modification） are systematically reviewed， and the mechanism and modification effect of each method are expounded. The application progress of hydrophobic modification zeolite in CO₂ capture， volatile organic compounds （VOCs） removal and other pollutant purification is emphatically analyzed. Finally， the problems in the preparation of hydrophobic modification zeolite and its application in gas purification are put forward， and the development trend of hydrophobic modification zeolite is prospected.

Key words: zeolite, hydrophobic modification, preparation method, gas purification, adsorption performance

CLC Number:

TQ424.25

ZHU Hang, LI Yan, LI Yi, WANG Bo, WU Yanan, ZHANG Wei, LIU Wenjia, LI Ping, ZHANG Ke. Research Progress on Preparation of Hydrophobic Modification Zeolite and Its Application in Gas Purification Field[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1777-1789.

Figures/Tables 9

Fig.1 （a） Preparation process of hydrophobic modification ZSM-5 zeolite；（b） schematic diagram of hydrophobic mechanism of hydrophobic modification ZSM-5 zeolite［27］

Fig.2 （a） Schematic diagram of preparation process of porous composites；（b） water adsorption isotherms of NaX/polyacrylate composite samples［31］

Fig.3 （a） Synthesis and carbon capture process of 13X@MPC under wet flue gas；（b） and （c） water contact angle of 13X before and after modification respectively；（d） and （e） penetration curves of 13X， 13X@MPC under wet flue gas［32］

Fig.4 （a） Schematic diagram of hydrophobic mechanism of Beta zeolite by MWAC treatment；（b） water contact angle of Beta， Beta-EDTA， Beta-EDTA-NH4OH；（c） N2 physisorption isotherms of Beta， Beta-EDTA， Beta-EDTA-NH4OH and Y zeolite［42］

Fig.5 （a） Schematic diagram of APTES-ZSM-5 model construction［44］；（b） dynamic wetting process of ZSM-5（001） and APTES-ZSM-5 surfaces［45］

Table 1 Comprehensive comparison of different zeolite hydrophobic modification methods

改性方法	水接触角/（°）	制备成本	适用气体类型	核心优势	面临挑战
硅烷偶联剂改性	90～142	中高	VOCs、CO₂	改性效率高、稳定性优异	过量易堵孔，需精准控量
表面包覆改性	92～130	高	CO₂、CH₃I	疏水效果显著	表面包覆层不均匀，批量生产性能波动较大
脱铝改性	52～70	低	低浓度 VOCs、CHCl₃	成本低、工艺简单	易破坏骨架，高 Si/Al 合成困难
多方法协同改性	112～145	中	CO₂、VOCs、CO	综合性能优异，适用范围广	制备工艺复杂

Fig.6 （a） Schematic diagram of CO2 adsorption on hydrophobic modification zeolite surface protected by ZIF-8 shell under humid conditions；（b） water contact angle of 13X， ZIF-8， and 13X@ZIF-8；（c） 13X@ZIF-8， ZIF-8， and 13X CO2 adsorption capacity at different temperatures；（d） ideal CO2/N2 selectivity of 13X@ZIF-8 and ZIF-8 ［49］

Fig.7 （a） Adsorption mechanism and optimized adsorption configurations of water and toluene of Y zeolite and polymer monomer；（b） water static adsorption capacity of Y zeolite and Y@P composites；（c） water contact angle and dispersion of Y zeolite and Y@P composites；（d） toluene adsorption performance under different humidity conditions ［55］

Fig.8 （a） Water vapor adsorption isotherms of MFI zeolite samples at 298 K［58］；（b） CHCl3 adsorption isotherms of MFI zeolite samples in aqueous solutions at 293 K［58］；（c） mechanism of CH3I adsorption on hydrophobic modification AgX zeolite［59］；（d） adsorption efficiency of CH3I on different hydrophobic modification AgX zeolite［59］；（e） schematic diagram of mechanism of enhancing CO adsorption performance under high relative humidity over CuCl/LaA-BTS［60］；（f） 5A， LaA， CuCl/LaA and CuCl/LaA-BTS adsorption CO breakthrough curves at variable relative humidity［60］

References 60

[1]	吕双春. 分子筛结构调控与疏水改性及其对挥发性有机物吸附研究［D］. 天津：天津大学， 2021.
	LV S C. Pore structure control and hydrophobic modification of zeolites and their adsorption performance for volatile organic compounds［D］. Tianjin： Tianjin University， 2021 （in Chinese）.
[2]	宋乐茜. 多烟气组分条件下H₂S在分子筛中的吸附机制模拟研究［D］. 重庆：重庆大学， 2021.
	SONG L X. Simulation study of the adsorption behavior for H₂S on zeolites in multiple flue gases［D］. Chongqing： Chongqing University， 2021 （in Chinese）.
[3]	马桂林. 分子筛在NO _x 吸附剂中的应用研究［D］. 武汉：武汉工程大学， 2024.
	MA G L. Investigation on NO _x adsorption by zeolite［D］. Wuhan： Wuhan Institute of Technology， 2024 （in Chinese）.
[4]	苏士焜，刘　唐，金　也，等. 氢气纯化吸附材料研究进展［J］. 化工进展， 2024， 43（10）： 5612-5632.
	SU S K， LIU T， JIN Y， et al. Advances of adsorption materials for hydrogen purification［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2024， 43（10）： 5612-5632 （in Chinese）.
[5]	ZHANG Y H， ALESSI D S， CHEN N， et al. Lead （Pb） sorption to hydrophobic and hydrophilic zeolites in the presence and absence of MTBE［J］. Journal of Hazardous Materials， 2021， 420： 126528.
[6]	黄　健，张涛俊. 真空变压吸附制氧与深冷法的比较［J］. 石化技术， 2015， 22（7）： 6-7.
	HUANG J， ZHANG T J. Vacuum PSA oxygen making method and deep cooling method［J］. Petrochemical Industry Technology， 2015， 22（7）： 6-7 （in Chinese）.
[7]	张立军. 13X沸石与CuCl/分子筛在甲醇制氢脱碳中的吸附特性研究［J］. 当代化工研究， 2025（7）： 55-57.
	ZHANG L J. Adsorption characteristics of 13X zeolite and CuCl/zeolite in methanol reforming hydrogen decarbonization［J］. Modern Chemical Research， 2025（7）： 55-57 （in Chinese）.
[8]	WANG Y L， ZHANG X C， ZHAN G G， et al. Comparing the effects of hollow structure and mesoporous structure of ZSM-5 zeolites on catalytic performances in methanol aromatization［J］. Molecular Catalysis， 2023， 540： 113044.
[9]	VELARDE L， NABAVI M S， ESCALERA E， et al. Adsorption of heavy metals on natural zeolites： a review［J］. Chemosphere， 2023， 328： 138508.
[10]	任傲天，徐　玲，秦雯琪，等. 异丙醇介质中ZSM⁃5分子筛催化果糖脱水制备5⁃HMF的工艺研究［J］. 高校化学工程学报， 2025， 39（5）： 868-875.
	REN A T， XU L， QIN W Q， et al. Process study on catalytic dehydration of fructose to 5-HMFover ZSM-5 zeolite in isopropanol［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities， 2025， 39（5）： 868-875 （in Chinese）.
[11]	杨润农，白帆飞，林梓荣，等. 分子筛吸附脱除有机硫的研究进展［J］. 化工进展， 2025， 44（1）： 329-340.
	YANG R N， BAI F F， LIN Z R， et al. Research progress on adsorptive removal of organic sulfides by zeolite［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2025， 44（1）： 329-340 （in Chinese）.
[12]	武旭源，郑晓英，郝瑞霞，等. 天然沸石结构对合成分子筛吸附脱氮性能影响［J］. 中国环境科学， 2021， 41（7）： 3193-3200.
	WU X Y， ZHENG X Y， HAO R X， et al. Influence of natural zeolite structure on the adsorption and denitrification performance of synthetic molecular sieve［J］. China Environmental Science， 2021， 41（7）： 3193-3200 （in Chinese）.
[13]	HUTSON N D， ZAJIC S C， YANG R T. Influence of residual water on the adsorption of atmospheric gases in Li-X zeolite： experiment and simulation［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2000， 39（6）： 1775-1780.
[14]	WOZNIAK A， MARLER B， ANGERMUND K， et al. Water and cation distribution in fully and partially hydrated Li-LSX zeolite［J］. Chemistry of Materials， 2008， 20（19）： 5968-5976.
[15]	JIANG H， ZHAO B Y， XIE Y C. Influence of water on adsorption properties of lithium exchanged low silica X zeolite［J］. Acta Physico-Chimica Sinica， 2002， 18（7）： 577-580.
[16]	刘　霞，党小庆，曹　利，等. NaY分子筛疏水改性及其对汽车涂装VOCs废气的吸附［J］. 环境工程学报， 2023， 17（11）： 3689-3697.
	LIU X， DANG X Q， CAO L， et al. Hydrophobic modification of NaY molecular sieve and its adsorption on VOCs exhaust gas from automobile painting［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2023， 17（11）： 3689-3697 （in Chinese）.
[17]	QI K， GAO L L， LI X L， et al. Research progress in gas separation and purification based on zeolitic materials［J］. Catalysts， 2023， 13（5）： 855.
[18]	SHARMA V， AGRAWAL A， SINGH O， et al. A comprehensive review on the synthesis techniques of porous materials for gas separation and catalysis［J］. The Canadian Journal of Chemical Engineering， 2022， 100（9）： 2653-2681.
[19]	顾嘉嘉，谷宏专. 分子筛在气体分离与净化中的应用［J］. 能源环境保护， 2005， 19（1）： 15-18.
	GU J J， GU H Z. Application of zeolites in separating and purifying gases［J］. Energy Environmental Protection， 2005， 19（1）： 15-18 （in Chinese）.
[20]	WEI R Z， ALSHAHRANI T， CHEN B L， et al. Advances in porous materials for efficient separation and purification of flue gas［J］. Separation and Purification Technology， 2025， 352： 128238.
[21]	张媛媛，于庆君，易红宏，等. 碱处理多级孔钛硅分子筛疏水吸附VOCs研究［J］. 能源环境保护， 2024， 38（4）： 166-178.
	ZHANG Y Y， YU Q J， YI H H， et al. Study on hydrophobic adsorption of VOCs by alkali-treated hierarchical titanium silicalite zeolites［J］. Energy Environmental Protection， 2024， 38（4）： 166-178 （in Chinese）.
[22]	WANG S， BAI P， WEI Y Z， et al. Three-dimensional-printed core-shell structured MFI-type zeolite monoliths for volatile organic compound capture under humid conditions［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（42）： 38955-38963.
[23]	PONGE C A， SHEEHAN N P， CORBIN D R， et al. Zeolites for sorption of PFAS from water［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2024， 63（27）： 12102-12112.
[24]	李承龙，刘才林，杨海君，等. ZSM-5高硅分子筛硅烷化疏水改性的研究［J］. 化学研究与应用， 2013， 25（2）： 236-239.
	LI C L， LIU C L， YANG H J， et al. Study on hydrophobic silylation modification of high silica molecular sieve ZSM-5［J］. Chemical Research and Application， 2013， 25（2）： 236-239 （in Chinese）.
[25]	蒋明雯. 疏水Li-LSX分子筛的制备及其富氧性能研究［D］. 大连：大连理工大学， 2022.
	JIANG M W. Preparation of hydrophobic Li-LSX molecular sieve and its oxygen-enriched performance［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2022 （in Chinese）.
[26]	RESASCO D E， CROSSLEY S P， WANG B， et al. Interaction of water with zeolites： a review［J］. Catalysis Reviews， 2021， 63（2）： 302-362.
[27]	LIU X Y， HAO Z F， YU R Y， et al. Enhanced hydrophobic ZSM-5 with high capacity for toluene capture under high-humidity conditions［J］. Science of the Total Environment， 2023， 894： 164919.
[28]	HAN X L， WANG L， LI J D， et al. Tuning the hydrophobicity of ZSM-5 zeolites by surface silanization using alkyltrichlorosilane［J］. Applied Surface Science， 2011， 257（22）： 9525-9531.
[29]	WANG C， WANG L P， DU F L， et al. A two-step organic modification strategy for improving surface hydrophobicity of zeolites［J］. Advanced Powder Technology， 2023， 34（11）： 104228.
[30]	GOYAL N， HU Y B， LI F， et al. Advances in hydrophobic physiadsorbents for CO₂ capture from humid flue gas and direct air［J］. Separation and Purification Technology， 2025， 362： 131729.
[31]	ZHOU A G， YANG C R， XUE M， et al. High stability and strong hydrophobic hindrance effect of core-shell NaX/polyacrylate composite for CO₂ capture［J］. Separation and Purification Technology， 2025， 355： 129689.
[32]	ZHAO T， WEI Y J， WANG J W， et al. Microporous carbon coated zeolite particles for efficient carbon capture from wet flue gas［J］. Separation and Purification Technology， 2023， 317： 123762.
[33]	LU S C， LIU Q L， HAN R， et al. Core-shell structured Y zeolite/hydrophobic organic polymer with improved toluene adsorption capacity under dry and wet conditions［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 409： 128194.
[34]	YANG F， WU J Y， ZHU X C， et al. Enhanced stability and hydrophobicity of LiX@ZIF-8 composite synthesized environmental friendly for CO₂ capture in highly humid flue gas［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 410： 128322.
[35]	高君安，王　伟，张　傑，等. 用于高湿度废气中甲苯吸附净化的疏水型ZSM-5分子筛的合成及其吸附性能研究［J］. 化工学报， 2020， 71（1）： 337-343.
	GAO J A， WANG W， ZHANG J， et al. Study on synthesis and adsorption performance of hydrophobic ZSM-5 zeolites for removal of toluene in high-humidity exhaust gas［J］. CIESC Journal， 2020， 71（1）： 337-343 （in Chinese）.
[36]	WANG J， CAO S W， SUN Y， et al. β zeolite nanostructures with a high SiO₂/Al₂O₃ ratio for the adsorption of volatile organic compounds［J］. ACS Applied Nano Materials， 2021， 4（12）： 13257-13266.
[37]	BURTON A. Recent trends in the synthesis of high-silica zeolites［J］. Catalysis Reviews， 2018， 60（1）： 132-175.
[38]	周　瑛，卢晗锋，王稚真，等. VOCs和水在Y型分子筛表面的竞争吸附［J］. 环境工程学报， 2012， 6（5）： 1653-1657.
	ZHOU Y， LU H F， WANG Z Z， et al. Competitive adsorption of VOCs and water on zeolites Y［J］. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control， 2012， 6（5）： 1653-1657 （in Chinese）.
[39]	YIN T， MENG X， JIN L P， et al. Prepared hydrophobic Y zeolite for adsorbing toluene in humid environment［J］. Microporous and Mesoporous Materials， 2020， 305： 110327.
[40]	MEZARI B， MAGUSIN P C M M， ALMUTAIRI S M T， et al. Nature of enhanced Brønsted acidity induced by extraframework aluminum in an ultrastabilized faujasite zeolite： an in situ NMR study［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2021， 125（17）： 9050-9059.
[41]	SILAGHI M C， CHIZALLET C， SAUER J， et al. Dealumination mechanisms of zeolites and extra-framework aluminum confinement［J］. Journal of Catalysis， 2016， 339： 242-255.
[42]	QIE Z P， JI Z Q， XIANG H， et al. Microwave-assisted post treatment to make hydrophobic zeolite Beta for aromatics adsorption in aqueous systems［J］. Separation and Purification Technology， 2023， 320： 124148.
[43]	HU Z W， WANG L， ZHAO Z B， et al. Preparation and study of hydrophobic silica@ZSM-5 nanocomposites for multi-functional coating［J］. Microporous and Mesoporous Materials， 2022， 344： 112217.
[44]	FANG M X， JING J F， GUO T， et al. Nanoscale investigation into the water uptake and multivalent ion suppression on pristine and APTES grafted ZSM-5 membranes［J］. Journal of Membrane Science， 2025， 736： 124707.
[45]	FANG M X， JING J F， GUO T， et al. Molecular dynamics insights into wetting， permeation and separation kinetics in amine functionalized ZSM-5 membranes［J］. Journal of Membrane Science， 2025， 733： 124357.
[46]	HEFTI M， MAZZOTTI M. Postcombustion CO₂ capture from wet flue gas by temperature swing adsorption［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2018， 57（45）： 15542-15555.
[47]	MEREL J， CLAUSSE M， MEUNIER F. Experimental investigation on CO₂ post-combustion capture by indirect thermal swing adsorption using 13X and 5A zeolites［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2008， 47（1）： 209-215.
[48]	KUMAR S， SRIVASTAVA R， KOH J. Utilization of zeolites as CO₂ capturing agents： advances and future perspectives［J］. Journal of CO₂ Utilization， 2020， 41： 101251.
[49]	BAHMANZADEGAN F， GHAEMI A， NOROUZBEIGI R. Ecofriendly novel hydrophobic core-shell zeolite@MOF nanoadsorbent for CO₂ capture［J］. Journal of CO₂ Utilization， 2025， 100： 103183.
[50]	GAO F， LI Y K， BIAN Z J， et al. Dynamic hydrophobic hindrance effect of zeolite@zeolitic imidazolate framework composites for CO₂ capture in the presence of water［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2015， 3（15）： 8091-8097.
[51]	BOER D G， ASGAR POUR Z， POLI S， et al. ZSM-5/Silicalite-1 core-shell beads as CO₂ adsorbents with increased hydrophobicity［J］. Materials Today Chemistry， 2023， 32： 101621.
[52]	陈雨濛，赵彦玲，冀　钟，等. ZSM-5分子筛水热合成参数对VOCs吸附影响权重及机制探究［J］. 环境科学学报， 2025， 45（6）： 388-398.
	CHEN Y M， ZHAO Y L， JI Z， et al. Study on the influence weight and mechanism of hydrothermal synthesis parameters of ZSM-5 molecular sieve on VOCs adsorption［J］. Acta Scientiae Circumstantiae， 2025， 45（6）： 388-398 （in Chinese）.
[53]	纪宇婧，陈妤晴，谢龙飞，等. 典型汽车涂装行业VOCs排放及其异味特征［J］. 中国环境科学， 2025， 45（4）： 1799-1809.
	JI Y J， CHEN Y Q， XIE L F， et al. Volatile organic compound emissions and odor characteristics of typical automotive coating industry［J］. China Environmental Science， 2025， 45（4）： 1799-1809 （in Chinese）.
[54]	JANG Y， KIM S S， NGUYEN D D. Ultrasonic-assisted dealumination of Y zeolite for improving VOCs adsorption and moisture resistance［J］. Water， Air， & Soil Pollution， 2025， 236（8）： 533.
[55]	LU S C， XUE W J， WANG H， et al. A surface-induced coating strategy for constructing hydrophobic zeolite composite to enhance the toluene adsorption in humid environment［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 471： 144570.
[56]	ZHAO S Z， FAN K， LI J， et al. Hydrophobic modification of zeolite-supported platinum catalysts for complete oxidation of toluene［J］. Catalysis Today， 2024， 432： 114601.
[57]	ZHU X F， LIU Y， JI X L， et al. Interfacial modulation strategy for constructing a hydrophobic surface on zeolite template carbon to enhance VOCs removal in high-humidity coal flue gas［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2025， 64（1）： 692-703.
[58]	CHI S， BAIK Y， OH C， et al. Hydrophobic zeolites as efficient adsorbents for removing chloroform in drinking water［J］. Microporous and Mesoporous Materials， 2025， 395： 113690.
[59]	SUN J J， PENG Z X， JIAO C S， et al. A novel strategy for iodine removal from nuclear reactor accidental gases： efficient adsorption of CH₃I on the moderately hydrophobic modified silver-loaded zeolite under high temperature and humidity conditions［J］. Journal of Nuclear Science and Technology， 2025， 62（1）： 43-55.
[60]	GUO Q， QIAO Y， XIAO Y H， et al. Synthesis of hydrophobic CuCl/LaA modified by butyltrichlorosilane towards enhanced CO adsorption under humid environment［J］. Applied Surface Science， 2024， 659： 159882.