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蜂窝状活性炭对VOCs的吸-脱附性能研究

时间:2018/6/28 9:43:30

在石油化工、制药、印刷、涂装、电子等行业的生产过程中排放出大量挥发性有机化合物(volatileorganic compounds,VOCs),这些VOCs会污染空气,给人体健康带来危害。以活性炭吸附为主的吸附工艺或吸附衍生工艺(如吸附-催化燃烧、吸附-蓄热燃烧,吸附-回收)因工艺成熟、运行稳定、适用范围广而成为治理有机废气常用方法。活性炭是普遍使用的吸附剂,存在颗粒状、纤维状及蜂窝状,其中蜂窝状活性炭因其独特的蜂窝状结构、床层压降小、吸-脱附速率快等特点,近几年被广泛应用于VOCs废气的吸附净化。颗粒状、纤维状活性炭吸附-脱附性能研究的报道较多,而目前针对蜂窝状活性炭吸-脱附性能的研究报道比较少。本研究针对蜂窝状活性炭,建立动态吸-脱附实验装置,系统研究了不同吸附质、甲苯浓度、空床气速、脱附温度等参数对蜂窝状活性炭吸-脱附性能的影响,获得较为详实的蜂窝状活性炭吸-脱附性能数据,以期为吸附设备优化设计提供重要参考数据。

蜂窝状活性炭

一、材料与方法

1、实验材料与设备

本研究采用河南金牟山环保科技有限公司所研制的蜂窝状活性炭作为吸附剂,规格为50mm×50mm×100mm,比表面积不低于750m2·g-1,孔密度100目,灰分40.1%,将其装填在外形为200mm×200mm×800mm的固定床吸附器中,过风横截面积0.04m2,蜂窝状活性炭装填量为6500g。

吸附质:乙酸乙酯、甲苯和乙醇,均为分析纯。

有机废气制备:废气发生器、风机、蠕动泵及相关管路组成配气系统。吸附时,开启废气发生器加热系统的电加热炉,加热汽化有机溶剂,产生的有机气体与经风机牵引进入废气发生器内的空气混合而制成。

热空气制备:废气发生器、风机、相关管路组成热空气生成系统。脱附时,开启废气发生器加热系统的电加热器,加热经风机牵引进入废气发生器内的空气。

设备: 废气发生器、风机、蠕动泵、固定床吸附器、GC-1100气相色谱分析仪等。

2、工艺流程

整套装置由电控制箱、风机、蠕动泵、废气发生器、转子流量计、固定床吸附器、φ100mm的风管组成。其中,废气发生器加热系统是有电加热炉和电加热器组成,在固定床吸附器的床体a处设有3个温度检测口,测量炭层温度,b为出口气体温度检测口,测量出口气体温度。实验工艺流程示意见图1。

图1

图1 实验工艺流程示意

整过实验过程包括吸附和脱附2个阶段。吸附时,有机废气经风管离开废气发生器进入固定床吸附器,经过蜂窝状活性炭吸附处理后排放;脱附时,通过电控制箱调节电加热器的开度,控制热空气的温度,热空气通过原来的吸附管路,即与吸附质吸附相同的方向进入固定床吸附器,对吸附饱和的蜂窝状活性炭解析。

3、分析方法

(1)气相浓度测定方法

采用GC-1100气相色谱分析仪测定固定床吸附器进出口有机气体的浓度,进而分析蜂窝状活性炭的吸-脱附性能。

(2)定量计算方法

实验通过测定不同吸附时间下甲苯的出口浓度,得到吸附过程穿透曲线,求出穿透曲线与横坐标围成的积分面积S,然后再按式(1)计算出不同吸附时间下,蜂窝状活性炭对甲苯的平衡吸附量,其中吸附过程穿透曲线和积分面积S均由Origin7.5软件获得。

Q=(C0×t-S)×u×A×60 (1)

式中,Q为蜂窝状活性炭对甲苯的平衡吸附量,g;C0为甲苯的进口浓度,g·m-3;t为吸附时间,min;S为穿透曲线与横坐标围成的积分面积,g·min·m-3;u为床层气速,m·s-1;A为固定床吸附器截面积,m2。

蜂窝状活性炭吸附率按公式(2)计算:

η=Q/mHAC×100% (2)

式中,η为蜂窝状活性炭吸附率,%;m<sup>HAC</sup>为蜂窝状活性炭质量,g。

二、结果与讨论

1、不同有机溶剂在蜂窝状活性炭上的吸附行为研究了蜂窝状活性炭对甲苯、乙酸乙酯、乙醇的吸附情况,实验结果如图2所示。

图2

图2 不同溶剂在30℃,1.9m·s-1,2.6g·m-3条件下的吸附过程穿透曲线

由图2可知,蜂窝状活性炭对甲苯、乙酸乙酯及乙醇具有不同的吸附性能。在规定出口浓度为1.0g·m-3时,3种有机溶剂的穿透时间分别为:甲苯84min,乙酸乙酯42min,乙醇15min。 因此,蜂窝状活性炭对3种有机溶剂的吸附能力为:甲苯>乙酸乙酯>乙醇。究其原因主要有两方面:一是溶剂的极性,乙醇、乙酸乙酯和甲苯均为弱极性有机物且极性依次降低,而蜂窝状活性炭是一种非极性吸附剂,根据“相似相溶”原理,可知甲苯较易吸附; 二是溶剂的相对分子质量,3种有机溶剂的相对分子质量:甲苯>乙酸乙酯>乙醇,低极性有机物相对分子质量越大,蜂窝状活性炭吸附能力越强。

2、不同条件下蜂窝状活性炭对甲苯的吸附行为

①入口甲苯浓度的影响

图3

图3 不同入口浓度的甲苯在1.2m·s-1,30℃条件下的吸附过程穿透曲线

由图3可知,入口甲苯浓度越高,达到相同出口甲苯浓度时所需要的时间越短,这表明蜂窝状活性炭对甲苯的吸附速率随着入口甲苯浓度的增大而加快。

此外,在规定的出口甲苯浓度0.04g·m-3时,入口甲苯浓度越低,可持续吸附时间就越长,蜂窝状活性炭对甲苯的平衡吸附量越大,吸附效率越高。如规定出口浓度为0.04g·m-3,入口甲苯浓度为0.41g·m-3时,可持续吸附384min,此时,蜂窝状活性炭对甲苯的平衡吸附量为436g,吸附率(质量分数)为6.7%;而入口甲苯浓度为0.99g·m-3时,仅可持续吸附56min,蜂窝状活性炭对甲苯的平衡吸附量为157g,吸附率(质量分数)为2.4%。

②空床气速的影响

图4

图4 甲苯在0.41g·m-3,30℃条件下的吸附过程穿透曲线

由图4可知,蜂窝状活性炭的吸附性能随空床气速的增大而下降。随着空床气速的增大,达到出口甲苯浓度0.04g·m-3的时间就越短。如在空床气速1.0m·s-1时,可吸附持续时间为491min,而空床气速提高1倍时,吸附持续时间降低了59.3%。这主要由于高的空床气速极大的降低了甲苯气体分子与蜂窝状活性炭层的接触时间,使气体中的甲苯未能被充分吸附,就通过了吸附层;因而适当降低空床气速,能够使蜂窝状活性炭得到充分利用,达到标准排放浓度(0.04g·m-3)的持续时间长。

图5为在规定出口甲苯浓度下,不同空床气速对蜂窝状活性炭平衡吸附量的影响。由图5知,在2种规定出口甲苯浓度下,空床气速从1.0m·s-1至3.0m·s-1时,平衡吸附量幅动较小。通过计算空床气速为1.0m·s-1与2.0m·s-1的平衡吸附量,在出口甲苯浓度为0.04g·m-3,平衡吸附量分别为475.3g 和395.9g;出口浓度为0.14g·m-3时,平衡吸附量为595.1g和610.3g。尽管空床气速对蜂窝状活性炭平衡吸附量有影响,但总体影响不大,工程应用上吸附空床气速推荐取1.2-1.8m·s-1。

图5

图5 空床气速在在0.41g·m-3,30℃条件下对蜂窝状活性炭平衡吸附量的影响

3、不同条件下蜂窝状活性炭的脱附行为

①不同脱附温度下的脱附过程曲线

研究了脱附温度对蜂窝状活性炭脱附行为的影响,实验结果见图6。

图6

图6 在空床气速为0.16m·s-1,平衡吸附量相等条件下脱附过程曲线

由图6可知,在脱附过程中固定床吸附器出口甲苯浓度均会达到一个峰值,且峰值出现时间基本相同,都在60min左右,但随着脱附温度升高,出口甲苯浓度峰值逐渐升高,且脱附曲线波动较大,尤其是在120℃时,甲苯峰值浓度高达16g·m-3,整个脱附时间内曲线波动更大。较大的出口甲苯浓度波动不利于后端净化设施的稳定运行。由图6脱附过程曲线可知,90℃
 时的脱附曲线比较平缓,即固定床吸附器出口甲苯浓度波动越小,对后端净化设施的稳定运行更为有利,建议工程应用中脱附温度选在90℃。

②不同脱附空床气速下的脱附过程曲线

图7

图7 在90℃,平衡吸附量相等条件下的脱附过程曲线

如图7所示,随着脱附空床气速的增大,出口甲苯浓度的峰值出现普遍比较靠前,即较短的时间内就达到峰值。在空床气速0.2m·s-1时,45min时达到峰值;0.4m·s-1时,20min时达到峰值;而在空床气速0.8m·s-1时,9min时就已经出现峰值。另外,出口甲苯浓度峰值随空床气速的增大而降低,峰值出现时间快。根据实际的工业应用情况,建议90℃时,脱附空床气速选为0.2-0.4m·s-1较为合适。

4、蜂窝状活性炭空气动力学性能

实验室研究了分别装填蜂窝状活性炭、颗粒状活性炭的固定床吸附器的床层阻力随空床气速的变化情况,结果见图8。

图8

图8 不同空床气速下的炭床阻力

由图8可知,在测定的空床气速下,床层阻力随空床气速的增大而增大。相同空床气速下,蜂窝状活性炭床床层压降损失远小于颗粒状活性炭床,在空床气速0.4m·s-1时,颗粒状活性炭床层压降为300Pa,而蜂窝状活性炭床层压降仅为60Pa,结果表明蜂窝状活性炭空气动力学性能很好。

目前实际工程应用中,若以颗粒状活性炭作为吸附材料,固定床吸附器的空床气速一般取0.2-0.4m·s-1,如果采用蜂窝状活性炭作为吸附材料时,可取11.2-1.8m·s-1,这种条件下蜂窝状活性炭床阻力仍远小于颗粒状活性炭床,使净化设备的动力消耗大大减小,因此蜂窝状活性炭适宜处理大风量、低浓度有机废气。

三、结论

1、不同溶剂在蜂窝状活性炭上的吸附率各不相同,本实验中3种有机溶剂的吸附能力按由强到弱的顺序为:甲苯>乙酸乙酯>乙醇。

2、入口甲苯浓度、空床气速对吸附性能、平衡吸附量均有影响。随着入口浓度的增大,床层越易被穿透,达到相同出口浓度的时间越来越短。在吸附温度30℃,甲苯出口浓度0.04g·m-3,空床气速1.2m·s-1,入口甲苯浓度0.41g·m-3时,吸附可持续384min,平衡吸附量为436g,吸附率(质量分数)为6.7%。随着空床气速的增大,吸附饱和时间缩短。在实际工程应用设计吸附设备时,空床气速建议取1.2-1.8m·s-1。

3、脱附温度、脱附空床气速对蜂窝状活性炭脱附性能均有影响。升高脱附温度,出口甲苯浓度峰值增大,出口甲苯浓度随脱附时间的变化幅度大;增大脱附空床气速,峰值降低,峰值出现时间快。工程应用中,建议脱附温度90℃、脱附空床气速0.2-0.4m·s-1较为合适。

4、蜂窝状活性炭空气动力学性能好、床层阻力小、吸-脱附速率快,适宜处理各种风量的VOCs废气,尤其适用于大风量、低浓度的有机废气净化。

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