活性炭吸附有害氣體特性分析

劉婭瓊，陳秋燕，沈飛翔,李曉波，王志剛

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

吸附是常見的氣態(tài)污染物凈化方法，是采用多孔固體吸附劑將氣體或液體混合物中的一種或幾種組分聚集或凝縮在其表面而達(dá)到分離的目的，常見的吸附材料為多孔活性炭[1]。近年來隨著國家對大氣污染重視程度持續(xù)上升，廢氣治理法規(guī)相繼出臺對氣體排放不合格企業(yè)實(shí)施強(qiáng)制廢氣治理要求，吸附技術(shù)作為主要?dú)怏w凈化技術(shù)被大規(guī)模廣泛應(yīng)用，由于吸附材料對氣體吸附特性存在較大區(qū)別，致使在工藝設(shè)計(jì)過程中存在吸附時間、容量等參數(shù)不確定現(xiàn)象，研究吸附材料對氣體吸附性能特性，能夠?yàn)槲焦に囋O(shè)計(jì)提供可靠參考依據(jù)[2]。

本文以市面上主要應(yīng)用的吸附材料活性炭為研究對象，對工業(yè)生產(chǎn)中常見有機(jī)廢氣污染物二甲苯、乙酸乙酯的吸附特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以控制變量的方法分析不同進(jìn)氣濃度、速度下活性炭的吸附特性，繪制活性炭穿透曲線，確定兩種廢氣在不同參數(shù)狀態(tài)下被活性炭吸附后活性炭的穿透時間、飽和時間，明確活性炭針對不同廢氣的吸附容量，為工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供支撐[3]。

2 試驗(yàn)原料、裝置及過程

2.1 試驗(yàn)原料

吸附實(shí)驗(yàn)中所用吸附質(zhì)為二甲苯、乙酸乙酯，其主要規(guī)格和來源見表1，物理化學(xué)性質(zhì)見表2[4]。

活性炭性能參數(shù)見表3。

表1 有機(jī)溶劑的規(guī)格和來源

表2 有機(jī)物物化數(shù)據(jù)

表3 活性炭性能參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)具體應(yīng)用設(shè)備名稱見表4，試驗(yàn)臺位見圖1。

表4 主要使用儀器設(shè)別

2.3 試驗(yàn)過程

(1)取500 mL液體至VOCs氣體發(fā)生罐中，將活性炭罐中裝入100 g的活性炭。

(2)打開緩沖罐的水浴鍋預(yù)熱30 min后，打開氣體發(fā)生器，打開風(fēng)機(jī)，打開緩沖罐后端旁通管路，關(guān)閉系統(tǒng)與活性炭管連接閥門，檢測緩沖罐后端風(fēng)量，調(diào)節(jié)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門直至風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求后每隔5 min檢測緩沖罐后氣體濃度，待氣體濃度穩(wěn)定，檢測氣體濃度是否為設(shè)計(jì)濃度，若低于設(shè)計(jì)濃度則調(diào)整VOCs發(fā)生罐加熱溫度直至最終緩沖罐中廢氣濃度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

(3)運(yùn)行穩(wěn)定后將與活性炭罐相連的閥門開啟，關(guān)閉旁通管路閥門，每隔10 min檢測廢氣出口濃度。

1—風(fēng)機(jī)；2—VOCs發(fā)生罐；3—緩沖罐；4—流量計(jì)；5—活性炭罐；6—PID檢測儀

圖1試驗(yàn)臺

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 二甲苯的吸附

對二甲苯有機(jī)氣體進(jìn)行吸附規(guī)律研究，對二甲苯進(jìn)行不同進(jìn)口速度和濃度下活性炭的吸附特性試驗(yàn)，研究不同情況下活性炭吸附二甲苯的穿透曲線形狀、穿透時間和吸附容量等參數(shù)。

在吸附試驗(yàn)臺上進(jìn)行活性炭吸附實(shí)驗(yàn)，分別對二甲苯進(jìn)行兩方面的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1為流速一定濃度不同的活性炭吸附試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)2為在濃度一定流速不同條件下活性炭的吸附特性。

試驗(yàn)1：將廢氣進(jìn)口流速調(diào)節(jié)至0.35 m/s，擬配備濃度2500 mg/m3、5000 mg/m3、1500 mg/m3三種情況下的二甲苯濃度，分析出口濃度與吸附時間的關(guān)系，繪制時間-濃度特性曲線，具體見圖2

圖2 0.35 m/s速度下不同廢氣濃度隨時間的變化關(guān)系

由圖2可知：在速度相同的情況下，進(jìn)口濃度越大活性炭層越容易被穿透，進(jìn)口濃度越大傳質(zhì)區(qū)中心點(diǎn)斜率越大，吸附傳質(zhì)越快，越容易達(dá)到吸附飽和平衡，飽和作用時間越短。

試驗(yàn)2：將廢氣進(jìn)口濃度調(diào)節(jié)至2500 mg/m3，分析速度0.5 m/s、0.35 m/s、0.2 m/s 3種不同速度下，分析出口濃度與吸附時間的關(guān)系，繪制時間-濃度特性曲線，具體見圖3。

圖3 2750mg/m3下不同速度廢氣出口濃度與時間的變化關(guān)系

由圖3可知：在濃度相同的情況下，進(jìn)口速度越大活性炭層越容易被穿透，進(jìn)口速度越大傳質(zhì)區(qū)中心點(diǎn)斜率越大，穿透時間和飽和時間前移。可能由于速度加快減少了廢氣在吸附裝置內(nèi)的停留時間，使活性炭接觸不充分，使得穿透時間縮短。

3.2 乙酸乙酯的吸附

對乙酸乙酯廢氣進(jìn)行與甲苯相同的實(shí)驗(yàn)流程，確定流速、濃度對吸附性能的影響。

試驗(yàn)3：將廢氣進(jìn)口流速調(diào)節(jié)至0.35 m/s，擬配備濃度3000 mg/m3、2000 mg/m3、1000 mg/m33種情況下二甲苯濃度，分析出口濃度與吸附時間的關(guān)系，繪制時間-濃度特性曲線，具體見圖4。

圖4 0.35 m/s速度下不同廢氣濃度隨時間的變化關(guān)系

試驗(yàn)4：將廢氣進(jìn)口濃度調(diào)節(jié)至2000 mg/m3，分析速度0.5 m/s、0.35 m/s、0.2 m/s 3種不同速度下，分析出口濃度與吸附時間的關(guān)系，繪制時間-濃度特性曲線，具體見圖5。

圖5 2000 mg/m3下不同速度廢氣出口濃度與時間的變化關(guān)系

由圖4和圖5可知：與活性炭吸附二甲苯相比，活性炭吸附乙酸乙酯也存在速度相同情況下，進(jìn)口濃度越高活性層越容易被穿透，傳質(zhì)中心點(diǎn)斜率越大。濃度相同的情況下，進(jìn)口速度越大活性炭層越容易被穿透，進(jìn)口速度越大傳質(zhì)區(qū)中心點(diǎn)斜率越大，穿透時間和飽和時間前移的現(xiàn)象。

3.3 活性炭吸附量計(jì)算

為了精確計(jì)算活性炭吸附量本實(shí)驗(yàn)采用吸附穿透曲線積分法計(jì)算活性炭吸附量，通過對穿透曲線的陰影面積進(jìn)行積分(圖6)確定吸附容量。

圖6 吸附穿透曲線確定吸附量

計(jì)算公式如下[5]：

式中：ma為吸附質(zhì)在吸附劑上的吸收量，g；Q為氣體流量，m3/h；ts為吸附飽和時間，min；Cin為進(jìn)口質(zhì)量濃度，mg/m3；Cout為出口質(zhì)量濃度，mg/m3。

結(jié)合前端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪制活性炭吸附二甲苯和乙酸乙酯時，速度在0.35 m/s，不同進(jìn)口濃度下活性炭吸附二甲苯及乙酸乙酯的質(zhì)量。

表5 活性炭針對不同吸附質(zhì)的吸附容量

由表5可知，活性炭針對不同有機(jī)物吸附量不同，針對二甲苯的吸附容量約為0.21～0.23 g/g，針對乙酸乙酯的吸附量約為0.09～0.17g/g。

4 結(jié)論

(1)針對工程中常見揮發(fā)性有機(jī)物二甲苯及乙酸乙酯均具有吸附能力，故針對此兩種揮發(fā)性有機(jī)物均可采用活性炭進(jìn)行吸附。

(2)活性炭吸附二甲苯和乙酸乙酯具有相同的規(guī)律，在速度相同的情況下，進(jìn)口濃度越大活性炭層越容易被穿透，進(jìn)口濃度越大傳質(zhì)區(qū)中心點(diǎn)斜率越大，吸附傳質(zhì)越快，越容易達(dá)到吸附飽和平衡，飽和作用時間越短。通過對前端相同進(jìn)口速度，不同進(jìn)口濃度下的吸附容量計(jì)算可知，進(jìn)口濃度越小，活性炭對二甲苯的吸附容量越大；而針對乙酸乙酯的則出現(xiàn)進(jìn)口濃度越大，吸附容量越大的情況。

(3)在濃度相同的情況下，進(jìn)口速度越大活性炭層越容易被穿透，進(jìn)口速度越大傳質(zhì)區(qū)中心點(diǎn)斜率越大，穿透時間和飽和時間前移。可能由于速度加快減少了廢氣在吸附裝置內(nèi)的停留時間，使活性炭接觸不充分，使得穿透時間縮短。

(4)活性炭對二甲苯吸附容量約為0.21～0.23 g/g，對乙酸乙酯的吸附量約為0.09～0.17 g/g，本數(shù)據(jù)可為工程項(xiàng)目中活性炭用量提供數(shù)據(jù)支撐。

AnalysisonAdsorptionCharacteristicsofHarmfulGasesbyActivatedCarbon

Liu Yaqiong, Chen Qiuyan,Shen Feixiang

(ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai, 201108,China)

Abstract: In this paper, the main pollutants xylene and ethyl acetate in industrial production were studied. The adsorption characteristics of activated carbon in China were studied. The control variables were used to analyze the adsorption of p-xylene and ethyl acetate on activated carbon under different parameters such as concentration and speed of exhaust gas. The gas penetration curve under different condition was drawn. Theadsorption law of activated carbonwas analyzed to provide a reliable basis for industrial adsorption and desorption process design.

Keywords: carbon;xylene;ethyl acetate;adsorption law