活性炭吸附-氮氣脫附回收乙酸乙酯工藝研究

羅水源，羅福坤，李澤清

（嘉園環保股份有限公司，福州 350003）

活性炭吸附-氮氣脫附回收乙酸乙酯工藝研究

羅水源，羅福坤，李澤清

（嘉園環保股份有限公司，福州 350003）

通過考察脫附溫度、脫附風量及活性炭吸附率等因素，研究了熱氮氣脫附回收效果。結果表明，氮氣脫附回收有機溶劑，不僅能有效解析吸附活性炭中的有機物，而且避免了水蒸汽脫附帶來的各種問題，具有巨大的市場潛力。

活性炭；吸附；脫附；吸附率；回收率

1 前言

活性炭吸附回收技術是一種簡單實用的VOCs治理技術，不僅能有效回收治理有機廢氣，解決環境污染問題，而且可為企業創造可觀的經濟效益，具有非常大的市場潛力[1]。目前，對活性炭吸附—脫附回收的研究報道較多[2～4]，但在實際工程中應用最為廣泛的仍是以“活性炭吸附—水蒸汽脫附—冷凝回收”為主[5]，然而利用水蒸汽脫附工藝在實際應用中也存在較多問題，如會產生二次污染、活性炭使用壽命及利用率低、應用具有一定的局限性、投資成本大等等。因此開發利用阻燃性氣體作為脫附介質回收有機溶劑，不僅能回收利用有機廢氣和阻燃性氣體，實現污染零排放，而且對于提高活性炭和設備的使用壽命、節約投資成本、提高市場競爭力具有重要作用。

本文通過建立一套動態吸附實驗裝置，采用乙酸乙酯作為吸附質，通過吸附率、脫附回收率、脫附溫度等參數對該工藝的可行性進行了研究分析。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

吸附劑選用寧夏恒輝活性炭有限公司研制的70顆粒活性炭，四氯化碳吸附率為74%；比表面積1000m2/g，灰分≤12%，水分≤5%。活性炭在120℃下干燥2h，放置冷卻后待用。

吸附質為乙酸乙酯，分析純。

2.2 儀器設備

KANOMAX-6006型風速儀（日本加野麥克斯產品）；PGM-7600型VOC檢測儀（華瑞科力恒（北京）科技有限公司產品）。

2.3 工藝流程及實驗方法

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

實驗分為四個部分：

（1）配氣系統：采用鼓空氣法，通過調節蠕動泵及廢氣發生器的溫度來配置實驗所需要的氣體濃度。濃度測定采用PID檢測器。

（2）吸附系統：配置好的廢氣經吸附罐6進行凈化處理，凈化后的氣體經排空口排放。取樣點5、7分別設在吸附罐進氣口和吸附罐出氣口，監測吸附前后乙酸乙酯的濃度變化。

（3）置換系統：吸附完成后，用氮氣將系統內的氣體全部置換，氧含量檢測儀實時監控系統氧濃度的變化。

（4）脫附系統：脫附系統中的氮氣經加熱器加熱到實驗所需要的溫度后進入吸附罐進行逆向解吸，解吸出來的氣體經過冷凝器進行冷凝回收，未冷凝的氣體經循環風機重新送回到加熱器中進行加熱再解吸。

3 結果分析

3.1 吸附率與再生次數的關系

實驗條件：吸附溫度25℃，吸附床層高度600mm；流速0.4m/s。考察活性炭再生次數對其吸附性能的影響。結果如下表。

不同吸附條件下的吸附率匯總表

從上表可知，在規定的乙酸乙酯出口濃度下，乙酸乙酯的首次動態吸附率為25.33%，經熱氮氣脫附再生后，其動態吸附率為14.76%～17.05%，產生這種波動主要是由于再生條件的不同和進口濃度的變化，但是對吸附率進行直線擬合，可發現活性炭經7次再生后對乙酸乙酯的吸附率略有下降，且下降的速率慢。因此該種活性炭經熱氮氣多次再生后仍具有很好的吸附能力，其吸附性能下降較慢。

3.2 不同脫附溫度下的脫附過程曲線

實驗條件：脫附風量42m3/h，炭層高度600mm。研究脫附溫度對顆粒活性炭脫附行為的影響。實驗結果如圖2。

圖2 不同脫附溫度時的脫附回收曲線

由圖2可知，隨著脫附溫度的降低，其相應的脫附曲線沿時間軸向后移動，脫附溫度越低，其脫附時間越長，當脫附溫度為130℃時，脫附結束時間比140℃時的脫附結束時間晚了約40min，比150℃脫附結束時間晚了約70min。另外，脫附結束后，150℃時的回收率為96.85%，140℃時的回收率為94.52%、130℃時的回收率為89.26%。可見，提高脫附溫度可以縮短脫附時間，提高脫附效率，有利于脫附的進行。這主要是因為脫附是個吸熱的過程，被吸附的乙酸乙酯需要吸收熱量提高動能來擺脫活性炭的吸附，氮氣溫度越高，傳遞給乙酸乙酯的動能越大，越有利于脫附的進行。

3.3 不同脫附風量下脫附回收曲線

實驗條件：脫附溫度140℃；炭層高度600mm。考察脫附風量對顆粒活性炭脫附行為的影響。實驗結果如圖3。

圖3 不同脫附風量時的脫附回收曲線

從圖3可知，隨著循環脫附風量的增大，乙酸乙酯的脫附回收曲線沿時間軸向前移動，在風量為42m3/h時，脫附結束時間為130min；在風量為33m3/h時，脫附結束時間為160min；在風量為25m3/h時，脫附結束時間為200min，另外，乙酸乙酯的回收率隨著脫附風量的增加而增加。可見，提高循環脫附風量，可以縮短脫附過程持續時間，提高脫附率。

3.4 最佳脫附溫度的選擇

由以上實驗結果可知，提高脫附溫度或者增加脫附風量，均能提高脫附效率、縮短脫附時間，在不考慮能耗的情況下，溫度越高，脫附風量越大，越有利于脫附的進行。但是，綜合能耗分析，在脫附氣速一定的情況下，熱氮氣的溫度越高，其脫附需要的氮氣量越小，因此固定床變溫脫附存在一個最優化條件[7]。本實驗通過考察脫附溫度、氮氣量及能耗三者的關系來確定最適宜的脫附溫度。

其中，Ep為脫附需要的能量，KJ；Cpg為氮氣的熱容，KJ/Kg·℃；Qp為脫附回收1g乙酸乙酯需要的氮氣量，L；Tr為脫附溫度，℃；T0為參考溫度，本實驗取25℃。

實驗結果如圖4。

圖4 Ep、Qp與脫附溫度的關系

圖4是每回收1g乙酸乙酯所需要的氮氣量Qp和消耗的能量與脫附溫度之間的關系圖。從圖4可看出，在140℃下，氮氣量及能耗上出現了低值，低于或者高于這個值，所產生的能耗都會增加。因此，脫附溫度為140℃是本實驗系統的一個最佳脫附溫度。

4 結論

（1）經過多次吸附和熱氮氣脫附再生的實驗可發現，采用熱氮氣作為脫附介質循環脫附的方式不會造成活性炭吸附能力顯著下降。

（2）在相同的脫附條件下，提高脫附溫度或者增加脫附風量，均能夠加快脫附過程，縮短脫附時間，提高脫附效率。

（3）活性炭脫附再生時，熱氮氣的脫附溫度和氣量存在一個最優化條件，高于或低于此值都會導致能耗的增加。實驗研究結果顯示，本實驗的經濟溫度為140℃。

（4）采用活性炭吸附—熱氮氣脫附—冷凝回收工藝不僅能有效回收有機溶劑，實現污染零排放，而且可突破以往技術的局限性，拓寬活性炭吸附—水蒸汽脫附—冷凝回收的應用范圍，具有廣闊的應用前景。

[1] 許業偉，袁文輝.可揮發性有機化合物廢氣治理新進展[J].廣東化工，2001，28（2）：12-16.

[2] 李松卿，王欣，許綠絲，等.ACF床動態吸附及脫附性能試驗研究[J].電力環境保護，2007，23（3）：28-31.

[3] 趙浩，董文龍，劉志英，等.活性炭吸附苯酚及其微波輻照再生效果[J].南京工業大學學報（自然科學版），2010，32（1）：28-32.

[4] DAS D，GAUR V，VERMA N.Removal of volatile organic compounds by activated carbon fiber[J].Carbon，2004，（42）：2946-2962.

[5] 羅福坤.VOCs在顆粒炭固定床吸附器上吸附行為的研究[J].海峽科學，2009， 6：92-93.

[6] BasmadjianD.，Ha K.D.，PanC.Y..Nonisothermal desorption by gas purge of single solutes in fixed bed adsorbers-I.Equilibrium theory[J].Industrial and Engineering Chemistry，Process Design and Development.1975，14（3）: 328-340.

Technological Study on Ethyl Acetate Reclaimed from Activated Carbon Absorption-Nitrogen Gas Desorption

LUO Shui-yuan, LUO Fu-kun, LI Ze-qing
(Garden Environmental Protection Co., Ltd, Fuzhou 350003, China)

Through the factors of desorption temperature, desorption wind-vector and activated carbon absorbance, the paper studies the recovering effect of heat nitrogen gas desorption. The result shows that the organic solvent recovered from nitrogen gas desorption not only can resolve the organic matters in the absorption activated carbon, but also can avoid the various problems brought from the water vapour desorption. It has a great market potential.

activated carbon; absorption; desorption; absorbance; recovery rate

X701

A

1006-5377（2015）04-0056-03