通过对活性炭和沸石分子筛的表征和动态吸附/脱附实验,探索2类吸附材料固定床工艺用于非连续、非稳定类型的大风量、低浓度挥发性有机物(VOCs)排放控制的应用前景。结果表明:沸石分子筛孔径分布较为集中,约在0.8nm,比表面积为393.76m~2˙g~(-1);活性炭孔径分布具有广谱性,微孔集中在1~2nm之间,比表面积为1026.71m~2˙g~(-1)。活性炭对二甲苯的平衡吸附量总体高于沸石分子筛,其平衡吸附容量随气相平衡浓度和温度的波动要大于沸石分子筛。动态吸附穿透实验结果显示沸石分子筛单位传质区长度的平均传质速率是活性炭的约1.42~1.66倍。相同吸附和脱附温度条件下,活性炭的工作容量要大于沸石分子筛。沸石分子筛在210℃时基本脱附彻底,且可得到48倍以上的浓缩脱附气体。50次的吸附、脱附重复实验对沸石分子筛的性能影响不大。沸石分子筛作为吸附材料脱附单位质量的二甲苯所需能耗是活性炭的2.9~4.2倍。活性炭和沸石分子筛可采用不同的工艺方式应用于低浓度、大风量、非稳定排放的VOCs气体的净化。

近年来,挥发性有机化合物(VOCs)的经济有效控制已成为环保工作的热点[1-3]。大气中VOCs的来源很多,其中工业源包括石油化工、包装印刷、纺织印染、轻工、涂装和精细化工等行业,其生产工艺过程都会排放出大量的VOCs气体[4-6]。目前很多工艺产生VOCs废气的特点为大风量、低浓度,且很多为间歇性排放,无处理直接排放已无法满足日趋严格的排放标准要求。活性炭吸附、热空气脱附加催化燃烧工艺在早期排放要求不高、处理对象以沸点较低的有机物为主的情景下,在处理净化大风量、低浓度有机气体的场合得到不少应用[7],但在处理一些沸点较高的有机污染物或为了提高净化效率而将热脱附空气温度提高至120℃以上时,存在较大的安全隐患。近年来,沸石转轮因安全性好而在低浓度、大风量排气场合取得了较多的应用[8-11],但从技术经济的角度,沸石转轮更适合于连续排放、浓度相对稳定的有机气体排放的控制。

相对于转轮类工艺,固定床吸附对于间隙排放,且污染物浓度波动较大的排气,其稳定达标性更好。本研究以二甲苯为实验对象,通过颗粒活性炭和颗粒沸石分子筛对低浓度有机气体的吸附/脱附性能实验,结合吸附剂的表征结果,讨论比较2类吸附剂的特点,探索2类吸附剂组成的固定床应用于非连续,非稳定类型的大风量、低浓度有机物污染气体的净化前景。

1材料与方法

1.1实验材料

实验采用的吸附材料为沸石分子筛和活性炭。沸石分子筛为Honewell所产的HiSiv1000型,属于憎水性;活性炭为煤制柱状(市售),直径为4mm,CTC(四氯化碳吸附值)为61.32%;二甲苯为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。

1.2吸附剂表征

活性炭和沸石分子筛的氮气吸附/脱附曲线、比表面积、孔径分布和孔容由ASAP2020C型吸附仪测定(Micromeritics,USA)。吸附材料的比表面积采用BET法计算,微孔的比表面积采用T-Plot方程[12]计算,微孔孔容采用Horvath-Kawazoe方程[13-14]计算。

1.3动态实验流程及装置

1.3.1吸附装置和检测方法

自建实验装置如图1所示,装置由配气系统、吸附系统、检测系统组成。配气系统由风机、干燥装置、转子流量计、微型注射计量泵、加热器和缓冲室组成,吸附系统由加热恒温设备和固定吸附床组成,检测口设置于吸附系统前后,该实验是以二甲苯为单一检测对象的实验,采用ppb级RAE3000分析仪(华瑞公司,USA)作为测定设备。所用分析仪测定绘制的二甲苯标准曲线R2均在0.99以上。

二甲苯在活性炭和沸石分子筛的吸附过程实验采用此系统。干燥后的洁净空气通过转子流量计按一定比例调节分配后,稀释气体和载有一定浓度的二甲苯气体汇入缓冲室,完全混合后进入加热恒温室,以实验设定浓度、流量和温度的稳定气体进入吸附单元,并在吸附单元前后测定二甲苯浓度。二甲苯吸附过程研究装置与吸附等温线实验装置相同,吸附剂装填高度为10cm。

1.3.2脱附实验装置

脱附实验装置流程如图2所示。吸附剂装填高度为10cm。利用不同流量的高温洁净空气对吸附后的吸附单元在不同温度下进行吹脱,并在系统排气端设置二甲苯采样检测装置。

1.3.3吸附等温线测定

二甲苯在吸附单元上的吸附等温线采用动态吸附法测定,并辅以重量法验证。即对吸附材料持续通入设定浓度的二甲苯气体,并对吸附系统前后进行二甲苯浓度检测,当出口浓度达到进口浓度时,通过浓度曲线积分得到该工况下吸附材料对二甲苯吸附量,同时对比前后吸附材料的重量差值进行复核校验。

沸石分子筛和活性炭的孔径分布如图3所示。可以看出,分子筛主要孔径分布在2.0nm以下,集中表现在0.8nm左右,为典型微孔均一型吸附剂;活性炭则体现了广谱性,微孔较为发达的同时,亦含有一定中孔,孔径集中在1~2nm左右。表1为沸石分子筛和活性炭的孔结构参数表。活性炭的比表面积、孔容均大于沸石分子筛,但沸石分子筛微孔比表面积占总比表面积高达85%。

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