不同吸收液處理甲苯廢氣研究*

崔慶華，張　會，張興安，石　陽

(濱州市環境保護科學技術研究所， 山東　濱州　256600)

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不同吸收液處理甲苯廢氣研究*

崔慶華，張會，張興安，石陽

(濱州市環境保護科學技術研究所， 山東濱州256600)

含甲苯廢氣是化工、醫藥企業常見的一類有機廢氣，對人體及環境危害嚴重，是迫切需要解決的一種有機污染物。本文選擇BDO、DEHA、檸檬酸鈉、干薄荷提取液、鮮薄荷提取液五種吸收劑，優化了實驗條件。結果表明：1,4-丁二醇(BDO)對甲苯具有較高的吸收效果，薄荷精油僅起到調節吸收劑氣味的作用，與美國產品相比較，BDO的吸收效率略高，在吸收甲苯的工程應用上，BDO具有處理成本低、效率高、操作簡單等特點。

甲苯廢氣；BDO；DEHA；檸檬酸鈉；干薄荷提取液；鮮薄荷提取液

企業排放的有機廢氣中通常含有硫氧化物、氮氧化物以及苯系物等有毒有害氣體，其中，甲苯廢氣是有機廢氣的重要組成部分[1]。作為一種普遍使用的有機溶劑，甲苯被廣泛用于化工、制藥、涂裝和皮革膠合等各種生產過程，是產生工業異味的重要來源。甲苯氣體對皮膚、粘膜有刺激性，對中樞神經系統有麻醉作用，重癥者可有躁動、抽搐、昏迷，長期接觸可發生神經衰弱綜合征，肝腫大等嚴重危害人體健康的疾病，對空氣、水環境及水源可造成潛在的污染。甲苯分子化學結構穩定、不易降解和不溶于水，給其凈化處理帶來困難。目前，對于甲苯廢氣的凈化處理，已有活性炭吸附、熱破壞、冷凝、液體吸收等方法，另外，還開發了生物膜法、電暈法、臭氧分解法、催化燃燒法、等離子體分解法等新型處理技術[2]。文獻表明液體吸收法具有成本低、操作簡單等優勢，可通過廢氣與吸收劑的接觸，使其中的有毒有害成分被吸收劑吸收，然后經解析，將甲苯除去或回收，同時實現吸收劑再生和重復使用[3-6]。國內外學者從各種途徑尋找處理甲苯的吸收劑，如汽油、洗油、活性機油、柴油等[7-12]，但這些具表面活性劑成分的吸收劑在一定程度會引起二次污染，且氣味不佳。國內外許多專家從天然植物提取液入手，尋找出一種能高效處理甲苯的提取液。本文對甲苯氣體進行不同吸收液的吸收研究，以此期望能找到一種高效的處理技術和方法處理有毒的甲苯。

1　實驗部分

1.1實驗設備與試劑

甲苯氣體發生和吸收裝置、pHS-3D酸度計、島津氣相色譜儀等。

甲苯、薄荷葉、鮮薄荷葉、二乙基羥胺(DEHA)、乙醇、1,4-丁二醇(BDO)、硅膠、檸檬酸鈉、蒸餾水等。

1.2實驗方法

1.2.1甲苯氣體制備及吸收

圖1　甲苯氣體發生和吸收裝置

將甲苯溶液置于沙浴鍋中加熱，至形成穩定甲苯-空氣混合氣流，利用氣體采樣器將氣體計量后輸送至U形管， U形管中盛有4% BDO溶液作為吸收液，裝置見圖1。

1.2.2吸收液中甲苯含量測定

制備甲苯濃度分別為0，100，200，300，400，500 mg/L的甲苯-BDO標準溶液，利用氣相色譜儀測吸收液甲苯濃度，制作標準曲線。所用注樣體積1 μL；柱箱溫度80 ℃；平衡時間3 min；檢測器溫度200 ℃，尾吹氣N2/空氣；燃氣采用H2，流量為40 mL/min，空氣流量為400 L/min，采用外標法定量。

1.2.3薄荷精油及提取液制作

(1)薄荷精油制備

將粉碎好的薄荷粉沫與水按照1:40的比例加入1000 mL蒸餾瓶中，用電爐進行加熱，加熱至沸騰，注意待蒸餾瓶內沸騰時應調小溫度，以免沸騰污染薄荷精油，冷凝管水流方向應為下進上出，防止沸騰水充滿冷凝管而炸裂，制得約10 mL薄荷精油，貯存在冰箱內備用。

(2)薄荷提取液制備

利用水提取法提取薄荷葉中的有效成分，即將采集的薄荷葉用高速萬能粉碎機粉碎，并按一定比例溶于煮沸的30%乙醇溶液中，勻速攪拌15 min左右，攪拌的過程中應調小電路溫度，防止溫度過高而將液體溢出，然后經過濾得到約500 mL干薄荷提取液,放入冰箱內以備用。

2　實驗條件優化

2.1最佳甲苯進氣流量的確定

通過控制單一因素法，由于甲苯沸點為110.6 ℃，故使用沙浴鍋對甲苯進行加熱以將甲苯液體轉化成氣體，沙浴鍋溫度控制在120 ℃左右，經軟導管進入大氣采樣器中，以4% BDO為吸收劑，進行甲苯氣體的吸收。以大氣采樣器進行甲苯吸收實驗，勿需攪拌裝置促進甲苯的吸收，通過控制流速就能控制，本實驗控制進氣量為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 L/min，然后由液相色譜儀測定出不同進氣量的甲苯峰面積，在標準曲線上查得甲苯濃度，繪制甲苯進氣流量-30 min吸收量曲線，由曲線選擇出BDO吸收液最佳的甲苯進氣流量。

2.2最佳吸收時間的確定

同樣，通過控制單一因素法，在最佳的甲苯進氣流量的條件下，以吸收時間作為變量選擇出最佳的吸收時間,控制吸收時間為10、20、30、40、50、80 min，根據液相色譜圖，在甲苯的保留時間內得出甲苯的峰面積，根據標準曲線方程計算得出甲苯含量，由此繪制吸收時間-吸收量曲線，選擇出最佳的吸收時間。

2.3吸收劑的篩選

根據以上實驗確定出最佳的甲苯進氣流量、吸收時間。選擇BDO、DEHA、檸檬酸鈉、干薄荷提取液、鮮薄荷提取液五種吸收劑，以及五種吸收劑分別與薄荷精油按照95:5的比例進行配制，另加薄荷精油和美國產品，共12種吸收液。由于BDO、DEHA、檸檬酸鈉都溶于水，所以，可以配置不同濃度的三種吸收劑。

利用文獻提供的最佳吸收液配方，即使用4%的BDO、5%的DEHA、10%的檸檬酸鈉，在帶有打孔橡膠塞的錐形瓶內加入100 mL甲苯溶液放入沙浴槽內，橡膠塞上有兩路玻璃導管，一路用于甲苯氣體經軟皮導管進入大氣采樣器；一路用于緩解錐形瓶內壓力變化，以防由于氣壓變化問題而引起吸收液倒吸。由于甲苯的沸點為110.6 ℃，故沙浴槽內溫度控制在120 ℃左右，經軟皮導管進入大氣采樣器里，進行吸收液的甲苯吸收實驗。

以上12種吸收液在最佳的吸收條件下同上實驗步驟進行甲苯的吸收，然后，經液相色譜儀測定各吸收液的色譜圖，根據甲苯的峰面積以及標準曲線方程計算得出甲苯含量并記錄數據。

2.4最佳吸收液濃度優化

選擇DEHA溶劑作為配比優化實驗，其濃度為2%、5%、10%、20%、30%、40%、50%，同樣，在最佳的吸收條件下同上實驗步驟進行甲苯的吸收實驗，而后經液相色譜儀測定各濃度下的色譜圖，根據甲苯的峰面積和標準曲線方程計算出各濃度下的DEHA對甲苯的吸收量，記錄數據。繪制濃度-吸收量曲線，經比較選擇出最佳處理甲苯氣體的DEHA吸收液質量分數。

2.5吸收劑與薄荷精油配比篩選

根據上述實驗步驟選擇出吸收甲苯效率較好的吸收劑，吸收劑與薄荷精油按照99:1、98:2、97:3、96:4、95:5、94:6、93:7的比例配制混合液，然后依次經液相色譜儀測定在甲苯的保留時間處出峰的峰面積，記錄數據，最后根據峰面積和標準曲線方程計算得出混合吸收液中甲苯的含量，繪制百分比-吸收量曲線，確定最佳的吸收劑與薄荷精油的混合配比。通過峰面積以及標準曲線方程計算出各吸收劑和植物提取液中甲苯的含量，繪制曲線和表格選擇出最優的吸收劑和吸收液配比。

3　結果與分析

3.1標準曲線的繪制

3.1.1甲苯保留時間的確定

按照上述實驗方法確定甲苯的保留時間，0 mg/L、10 mg/L濃度的標準溶液經液相色譜儀測定的色譜圖如圖2、圖3所示，故由此確定甲苯的保留時間為6.682 min。

圖2　0 mg/L濃度標準溶液色譜圖

圖3　10 mg/L濃度標準溶液色譜圖

3.1.2標準曲線繪制

根據上述實驗方法，經液相色譜儀測出甲苯的保留時間為6.682 min，然后按照實驗步驟配制標準溶液，經液相色譜儀測定標準溶液中甲苯的峰面積，記錄數據見表1，繪制濃度-峰面積的標準曲線，得出標準曲線方程，y=1240.2x。

表1　標準溶液中甲苯濃度

圖4　標準曲線

3.2最佳條件的選擇

3.2.1最佳甲苯進氣流量的選擇

按照上述實驗步驟利用液相色譜儀測定甲苯在6.682 min左右出峰的物質即為甲苯，選擇4%BDO吸收劑，經液相色譜儀測定，在254 nm波長下微積分得出甲苯出峰的峰面積，以甲苯進氣流量為0.3 L/min為例，其色譜圖見圖5、圖6，根據甲苯峰面積以及標準曲線方程，計算得出BDO中甲苯含量，其數據記錄如表2。

表2　不同甲苯進氣流的吸收情況

圖5　甲苯進氣流量為0.3 L/min的色譜圖

圖6　甲苯進氣流量-30 mim吸收量曲線

根據甲苯進氣流量-30 mim吸收量曲線得出最佳的甲苯進氣流量為0.2 L/min。

3.2.2最佳吸收時間的選擇

控制甲苯進氣流量為0.2 L/min，設計不同的吸收時間，其數據記錄如下表3。

表3　吸收劑吸收時間表

由表3可知，當吸收時間為30 min時，吸收量最好。根據液相色譜儀測出的甲苯含量，繪制吸收時間-吸收量的曲線如圖7和圖8所示。

圖7　吸收時間為30 min的色譜圖

圖8　吸收時間-吸收量曲線

由吸收時間-吸收量曲線得出最佳的吸收劑吸收時間為30 min，由以上兩實驗結果得出最佳的甲苯吸收條件為：甲苯進氣流量為0.2 mL/min，吸收劑吸收時間為30 min。

3.3吸收劑的篩選

3.3.1實驗數據

在最佳吸收條件下按上述實驗步驟進行下列吸收液吸收甲苯實驗，然后，經液相色譜儀測定甲苯的峰面積并由標準曲線方程計算得出甲苯濃度，記錄數據見表4。

表4　吸收劑篩選表

由表4得出4%濃度的BDO對甲苯具有較好的吸收效果，同樣，BDO與薄荷精油的混合溶液對甲苯具有較好的吸收效果。而且BDO的吸收效果要優于美國市售產品，美國市場商品的色譜圖見圖9。

圖9　美國市場商品的色譜圖

3.3.2吸收液參數優化

由于現有文獻已有采用4% BDO作為吸收液的研究，故在此不再進行吸收液濃度優化，為此選擇吸收效果次之的DEHA進行濃度優化。

選擇DEHA溶劑作為配比優化實驗，實驗步驟同上，數據見表5，其色譜圖見圖10，濃度-吸收量曲線見圖11。

表5　DEHA吸收液參數優化表

續表5

10%0.2102711921.866620%0.2102072716.712630%0.2101493112.024640%0.210110938.944550%0.210100428.0971

圖10　5%DEHA吸收劑的色譜圖

圖11　DEHA吸收液濃度-吸收量曲線

經比較得出DEHA最佳處理甲苯氣體的質量分數為5%。

3.3.3吸收劑與薄荷精油配比的篩選

同以上實驗步驟進行實驗，選擇最佳的BDO與薄荷精油的配比，記錄實驗數據見表6，根據表格數據繪制BDO與薄荷精油的百分比-吸收量曲線見圖12。

表6　吸收劑與薄荷精油配比篩選表

圖12　BDO與薄荷精油的百分比-吸收量曲線

由BDO與薄荷精油的百分比-吸收量曲線知，薄荷精油是起到調節吸收劑氣味的作用，起不到促進吸收劑吸收甲苯的作用。

3.4吸收廢液的處置

如前所述，4%的BDO對甲苯具有最大的吸收效果，其次為市售國外進口吸收劑。BDO是一種重要的有機化工產品，可看作生物柴油的一種，也可由生物基物質發酵制得，被廣泛的用于醫藥、化工、紡織、造紙、汽車和日用化工等領域。其物理特性為：無色油狀液體，可燃，能溶于水、甲醇、乙醇、丙酮，微溶于乙醚，沸點228 ℃，熔點20.2 ℃，相對密度1.0171，折射率1.446，閃點(開杯)121 ℃，使用安全。選用BDO作為吸收劑還有另一個優點，那就是與甲苯易于分離。飽和后的吸收液主要含有BDO、甲苯和水，甲苯的沸點為110.6 ℃，其與水的共沸點是84.1 ℃，而BDO的沸點為228 ℃，因此，通過共沸蒸餾操作可使甲苯與吸收液進行解吸分離并回收甲苯，同時，吸收液經冷卻、補充水后可實現再生。

但蒸餾回收的經濟性決定于吸收液甲苯濃度，若濃度較低，則甲苯回收的可行性較低，為此，也可采用將吸收廢液排放到廠區廢水處理設施，或采用其他高級氧化方法處理。

4　結　論

通過以上的控制單一因素實驗分析和比較，可以確定五種吸收劑最佳的甲苯吸收時間、甲苯進氣流量等最佳吸收條件，得到以下結論：

(1)對于BDO模擬吸收甲苯實驗：以吸收量為指標，最佳吸收條件為：甲苯進氣流量為0.2 mg/L，甲苯吸收時間為30 min,吸收溫度為10 ℃，由于使有使用大氣采樣器，故勿需使用攪拌裝置。

(2)對于五種吸收劑的吸收實驗：在BDO模擬吸收甲苯實驗中確定的最佳吸收條件下，五種吸收劑進行甲苯吸收實驗，經數據顯示，吸收甲苯效率較高的是BDO，能吸收約44 mg/L。

(3)對于五種吸收劑與薄荷精油的混合溶液:在BDO模擬吸收甲苯實驗中確定的最佳吸收條件下,吸收劑與薄荷精油按95:5的比例進行吸收實驗，經數據顯示，BDO與薄荷精油的混合液對甲苯具有較高的吸收效率，約33.4 mg/L。

(4)對于BDO與薄荷精油的混合液：在BDO模擬吸收甲苯實驗中確定的最佳吸收條件下，BDO與薄荷精油按照不同的配比進行混合吸收，結果表明，薄荷精油起到調節吸收劑氣味的作用，并沒有起到促進BDO吸收甲苯。

由以上數據顯示，1,4-丁二醇(BDO)對甲苯具有較高的吸收效果，薄荷精油僅起到調節吸收劑氣味的作用，與美國產品相比較，BDO的吸收效率略高，在吸收甲苯的工程應用上，BDO具有處理成本低、效率高、操作簡單等特點。

[1]岑超平,陳定盛,藍如輝,等.吸收法脫除甲苯廢氣的實驗研究[J]. 環境工程，2007，25(6):40-43.

[2]肖瀟.液體吸收資源化處理工業甲苯廢氣的研究進展[J].環境科學與技術，2011,34(6G)：169-174.

[3]肖瀟,晏波,傅家謨.幾種有機廢氣吸收液對甲苯吸收效果的對比[J].環境工程學報，2013，7(3)：1072-1078.

[4]程叢蘭,黃小林,朗爽,等. 苯系物新型吸收劑的研究[J].北京工業大學學報，2000,26(1)：107-111.

[5]陳定盛，岑超平，曾環木. 提高檸檬酸鈉凈化甲苯廢氣效率的實驗研究[J]. 環境科學與技術，2009，32(2)：28-31.

[6]劉戀,田森林． 微乳液增溶吸收甲苯傳質機理及影響因素[J]．化學工程，2010，38(5): 5-8.

[7]Philippe Blach, Sophie Fourmentin, David Landy, et al.Cyclodextrins: A new efficient absorbent to treat waste gas streams[J]. Chemosphere, 2008, 70: 374-380.

[8]Heymes F，Demoustier P M，Charbit F． A new efficient absorption liquid to treat exhaust air loaded with toluene[J]．Chemical Engineering Journal，2006，115(3): 225-231.

[9]刁春燕,邱挺,王良恩. BDO新型吸收劑治理含甲苯廢氣的實驗研究[J].福建化工，2003(3)：20-23.

[10]巫先坤,張鋒,王志祥,等.新型吸收劑凈化吸收甲苯廢氣的實驗研究[J]. 環境工程學報，2013，7(5)：1878-1882.

[11]伍志波,余林,孫明.生物柴油基吸收劑凈化甲苯廢氣[J].精細化工，2013,30(9):1052-1056.

[12]羅教生. 用水-洗油吸收劑處理含苯廢氣的研究[J]. 環境與開發,1999,14(3):19-20.

Study on Treatment of Toluene Waste Gas by Different Absorption Liquid*

CUIQing-hua,ZHANGHui,ZHANGXing-an，SHIYan

(Institute of Environmental Protection Science & Technology of Binzhou, Shandong Binzhou 256600, China)

Toluene waste gas is a kind of common organic waste gas of chemical and pharmaceutical enterprises that should be treated urgently, which has serious injury on environment and human health. BDO, DEHA, sodium citrate, dry mint extract and fresh mint extract were chosen as the absorbent, and its optimized experimental conditions and treatment effect were also discussed. The orthogonal test result showed that 1,4-(BDO) had a high absorption effect on toluene, the essential oil of mint was to adjust the smell of the absorbent. Compared with the United States, the absorption efficiency of BDO was slightly higher. In the engineering application of absorption of toluene,BDO had the characteristics of low cost, high efficiency, simple operation, and so on.

toluene waste gas; BDO; DEHA; sodium citrate; dry mint extract; fresh mint extract

濱州市科技發展計劃項目(2012ZC1201)。

崔慶華(1981-)，男，工程師，從事環境污染治理研究。

X511

A

1001-9677(2016)03-0072-05