通過對(duì)活性炭和沸石分子篩的表征和動(dòng)態(tài)吸附/脫附實(shí)驗(yàn),探索2類吸附材料固定床工藝用于非連續(xù)、非穩(wěn)定類型的大風(fēng)量、低濃度揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放控制的應(yīng)用前景。結(jié)果表明:沸石分子篩孔徑分布較為集中,約在0.8nm,比表面積為393.76m~2˙g~(-1);活性炭孔徑分布具有廣譜性,微孔集中在1~2nm之間,比表面積為1026.71m~2˙g~(-1)?；钚蕴繉?duì)二甲苯的平衡吸附量總體高于沸石分子篩,其平衡吸附容量隨氣相平衡濃度和溫度的波動(dòng)要大于沸石分子篩。動(dòng)態(tài)吸附穿透實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示沸石分子篩單位傳質(zhì)區(qū)長度的平均傳質(zhì)速率是活性炭的約1.42~1.66倍。相同吸附和脫附溫度條件下,活性炭的工作容量要大于沸石分子篩。沸石分子篩在210℃時(shí)基本脫附徹底,且可得到48倍以上的濃縮脫附氣體。50次的吸附、脫附重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)沸石分子篩的性能影響不大。沸石分子篩作為吸附材料脫附單位質(zhì)量的二甲苯所需能耗是活性炭的2.9~4.2倍。活性炭和沸石分子篩可采用不同的工藝方式應(yīng)用于低濃度、大風(fēng)量、非穩(wěn)定排放的VOCs氣體的凈化。

近年來,揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的經(jīng)濟(jì)有效控制已成為環(huán)保工作的熱點(diǎn)[1-3]。大氣中VOCs的來源很多,其中工業(yè)源包括石油化工、包裝印刷、紡織印染、輕工、涂裝和精細(xì)化工等行業(yè),其生產(chǎn)工藝過程都會(huì)排放出大量的VOCs氣體[4-6]。目前很多工藝產(chǎn)生VOCs廢氣的特點(diǎn)為大風(fēng)量、低濃度,且很多為間歇性排放,無處理直接排放已無法滿足日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。活性炭吸附、熱空氣脫附加催化燃燒工藝在早期排放要求不高、處理對(duì)象以沸點(diǎn)較低的有機(jī)物為主的情景下,在處理凈化大風(fēng)量、低濃度有機(jī)氣體的場(chǎng)合得到不少應(yīng)用[7],但在處理一些沸點(diǎn)較高的有機(jī)污染物或?yàn)榱颂岣邇艋识鴮崦摳娇諝鉁囟忍岣咧?20℃以上時(shí),存在較大的安全隱患。近年來,沸石轉(zhuǎn)輪因安全性好而在低濃度、大風(fēng)量排氣場(chǎng)合取得了較多的應(yīng)用[8-11],但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度,沸石轉(zhuǎn)輪更適合于連續(xù)排放、濃度相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)氣體排放的控制。

相對(duì)于轉(zhuǎn)輪類工藝,固定床吸附對(duì)于間隙排放,且污染物濃度波動(dòng)較大的排氣,其穩(wěn)定達(dá)標(biāo)性更好。本研究以二甲苯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過顆?；钚蕴亢皖w粒沸石分子篩對(duì)低濃度有機(jī)氣體的吸附/脫附性能實(shí)驗(yàn),結(jié)合吸附劑的表征結(jié)果,討論比較2類吸附劑的特點(diǎn),探索2類吸附劑組成的固定床應(yīng)用于非連續(xù),非穩(wěn)定類型的大風(fēng)量、低濃度有機(jī)物污染氣體的凈化前景。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的吸附材料為沸石分子篩和活性炭。沸石分子篩為Honewell所產(chǎn)的HiSiv1000型,屬于憎水性;活性炭為煤制柱狀(市售),直徑為4mm,CTC(四氯化碳吸附值)為61.32%;二甲苯為分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.2吸附劑表征

活性炭和沸石分子篩的氮?dú)馕?脫附曲線、比表面積、孔徑分布和孔容由ASAP2020C型吸附儀測(cè)定(Micromeritics,USA)。吸附材料的比表面積采用BET法計(jì)算,微孔的比表面積采用T-Plot方程[12]計(jì)算,微孔孔容采用Horvath-Kawazoe方程[13-14]計(jì)算。

1.3動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)流程及裝置

1.3.1吸附裝置和檢測(cè)方法

自建實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,裝置由配氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)組成。配氣系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、干燥裝置、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、微型注射計(jì)量泵、加熱器和緩沖室組成,吸附系統(tǒng)由加熱恒溫設(shè)備和固定吸附床組成,檢測(cè)口設(shè)置于吸附系統(tǒng)前后,該實(shí)驗(yàn)是以二甲苯為單一檢測(cè)對(duì)象的實(shí)驗(yàn),采用ppb級(jí)RAE3000分析儀(華瑞公司,USA)作為測(cè)定設(shè)備。所用分析儀測(cè)定繪制的二甲苯標(biāo)準(zhǔn)曲線R2均在0.99以上。

二甲苯在活性炭和沸石分子篩的吸附過程實(shí)驗(yàn)采用此系統(tǒng)。干燥后的潔凈空氣通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)按一定比例調(diào)節(jié)分配后,稀釋氣體和載有一定濃度的二甲苯氣體匯入緩沖室,完全混合后進(jìn)入加熱恒溫室,以實(shí)驗(yàn)設(shè)定濃度、流量和溫度的穩(wěn)定氣體進(jìn)入吸附單元,并在吸附單元前后測(cè)定二甲苯濃度。二甲苯吸附過程研究裝置與吸附等溫線實(shí)驗(yàn)裝置相同,吸附劑裝填高度為10cm。

1.3.2脫附實(shí)驗(yàn)裝置

脫附實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖2所示。吸附劑裝填高度為10cm。利用不同流量的高溫潔凈空氣對(duì)吸附后的吸附單元在不同溫度下進(jìn)行吹脫,并在系統(tǒng)排氣端設(shè)置二甲苯采樣檢測(cè)裝置。

1.3.3吸附等溫線測(cè)定

二甲苯在吸附單元上的吸附等溫線采用動(dòng)態(tài)吸附法測(cè)定,并輔以重量法驗(yàn)證。即對(duì)吸附材料持續(xù)通入設(shè)定濃度的二甲苯氣體,并對(duì)吸附系統(tǒng)前后進(jìn)行二甲苯濃度檢測(cè),當(dāng)出口濃度達(dá)到進(jìn)口濃度時(shí),通過濃度曲線積分得到該工況下吸附材料對(duì)二甲苯吸附量,同時(shí)對(duì)比前后吸附材料的重量差值進(jìn)行復(fù)核校驗(yàn)。

沸石分子篩和活性炭的孔徑分布如圖3所示?？梢钥闯?分子篩主要孔徑分布在2.0nm以下,集中表現(xiàn)在0.8nm左右,為典型微孔均一型吸附劑;活性炭則體現(xiàn)了廣譜性,微孔較為發(fā)達(dá)的同時(shí),亦含有一定中孔,孔徑集中在1~2nm左右。表1為沸石分子篩和活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)表?；钚蕴康谋缺砻娣e、孔容均大于沸石分子篩,但沸石分子篩微孔比表面積占總比表面積高達(dá)85%。

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