丙烯腈废气（共4篇）
丙烯腈废气 篇1
1 有机废气处理工艺概述
有机废气是主要大气污染物之一, 对人体有害, 引起的共同症状是疲乏无力、头晕头痛、恶心呕吐、心慌气喘﹑血象变化等。有机废气治理的根本途径是采用无污染工艺, 少用有毒原料, 控制有毒废气排放量, 使之在环保要求的排放限值内。
有机废气污染物治理的方法主要有两类:一类是回收法, 另一类是消除法。回收法主要有活性炭吸附、变压吸附、吸收法、冷凝法及膜分离技术。处理方法的选择取决于废气的化学和物理性质、浓度、排放量、排放标准以及回用作原料或副产品的经济价值等诸多方面。
消除法有直接燃烧、热氧化、催化燃烧、生物氧化、等离子体法、紫外光催化氧化法及其集成技术;消除法主要是通过化学或生化反应, 用热、光、催化剂和微生物将有机气相污染物转变成为CO2和水等无毒害的无机小分子化合物。
近些年还出现了一些新的处理工艺, 简述如下:
(1) 生物分解法。该法是在已成熟的采用微生物处理废水基础上发展起来的处理有机废气的方法, 通过附着在多孔、潮湿介质上的活性微生物, 用大气中低浓度的有机废气为其生命活动的能源或养分, 将其转化为简单的无机物或细胞组成物质。与传统的废气处理技术相比, 生物处理技术具有效果好、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染等优点。但是为了进一步实现大规模的工业化应用, 仍有很多关键性的问题需要解决, 包括菌种培养等。
(2) 放电等离子体法。该法是通过高电压放电形式, 获得非热平衡等离子体, 即产生大量的高能电子或高能电子激励产生的O、OH、N基等活性粒子, 破坏C-H、C-C等化学键, 使尾气分子中的H、Cl、F等发生置换反应, 最终生成CO2和H2O, 即工业废气通过放电处理最终变为无害物质, 具有工艺简单、流程短、可操作性好的特点, 特别在节能方面有很大的潜力。但目前该技术仍未能解决一些关键的科学问题, 导致了其尚未走近实用化行列。
(3) TiO2光催化法。该法在常温、常压条件下, 能将废气中的有机物分解为CO2、H2O和其它无机物, 有较大潜在应用价值, 具有反应效率高、不受溶剂分子影响、易回收、反应速率快等优点, 但这项技术还存在几个关键的技术难题, 因此目前仍停留在实验研究阶段, 尚未得到广泛的工业化应用。
(4) 膜分离技术。该技术是目前废气处理领域的研究热点之一, 具有流程简单、VOCs回收率高、能耗低、无二次污染等优点, 国外已有许多成功应用的范例。常用的废气处理膜分离工艺包括:蒸汽渗透 (VP) 、气体膜分离 (GMS/VMP) 和膜接触器等。近年来, 德国的GKSS公司、美国的MTR公司和日本的日东电工都成功的实现了采用膜技术回收废气中的VOCs的工业化生产。但目前由于技术的原因, 应用范围尚小, 并未大面积推广。
2 有机废气的活性炭吸附处理工艺
吸附法是利用某些具有吸附能力的物质如活性炭、硅胶、沸石分子筛、活性氧化铝等吸附有害成分而达到消除有害污染的目的。吸附法适用于几乎所有的气相污染物, 一般是中低浓度的气相污染物;吸附效果取决于吸附剂性质、气相污染物种类和吸附系统的操作温度、湿度、压力等因素, 具有去除效率高的优点, 从而使其成为去除气相污染物较为常用的方法, 但存在投资后运行费用较高且有产生二次污染的缺陷。
活性炭纤维被认为是目前最理想的吸附介质。活性炭纤维 (ACF) 是继粉末状和颗粒状活性炭之后的第三代活性炭产品, 通常以有机纤维为原料经预处理-炭化-活化后制得。与颗粒状活性炭相比, 活性炭纤维具有比表面积大、微孔丰富、孔径小且分布窄、吸附量大、吸附速率快的特点, 其吸附能力较一般活性炭高1~10倍;而且再生容易, 工艺灵活性大 (易加工成布、毡等形式) , 以及不易粉化和沉降等特点, 因此在工业废气, 包括丙烯腈废气的处理方面得到了特别广泛的应用。
同时, 与其他类型吸附材料 (如颗粒状活性炭) 相比, 活性炭纤维的微孔容积大, 吸附容量高, 且具有良好的脱附性能, 因此可以利用ACF对废气进行价值回收。研究表明, 在相同条件下经过多次重复再生, 得到的活性炭纤维的饱和吸附曲线都非常接近, 因此理论上认为ACF可以多次再生而其吸附性能却不会发生大的变化, 因此得到了广泛应用。近年来利用ACF进行物料回收的工业化生产实例多见报道。
3 工程实例
3.1 废气来源
本文中丙烯腈废气来自于丙烯腈储罐顶部的排放气。丙烯腈储罐采用立式固定顶罐, 在储罐进料或者环境温度变化引起物料热胀冷缩过程中, 会排放出废气。前者产生的尾气俗称大呼吸尾气;后者俗称小呼吸尾气, 两者中均含有较高浓度的丙烯腈气体。因丙烯腈为有毒物质, 为避免影响周围环境, 故需对该尾气进行净化, 使之达到规定的排放标准后才能排入大气。具体参数如下:
废气组成 (mol%) :丙烯腈1.2%, 氮气98.8%;丙烯腈最大浓度24g/m3;
处理量:650Nm3/h;
处理后废气标准:执行《大气污染物综合排放标准》 (GB16297-1996) 的二级标准, 即丙烯腈含量≯22mg/m3。
3.2 排放标准
根据《环境空气质量标准》 (GB3095-1996) 的划分标准, 净化后废气标准执行《大气污染物综合排放标准》 (GB16297-1996) 的二级标准, 按表2“新污染源大气污染物排放限值”的要求, 丙烯腈最高允许排放浓度为22mg/m3, 最大流量650Nm3/h时, 排放速率为0.0143kg/h。当最高排放浓度不变, 最大流量按稀释后总流量 (3000Nm3/h) 计算, 最大排放速率为0.66kg/h。最低烟囱高度15m时允许的排放速率为0.77kg/h, 因此本项目可采用最高允许排放浓度22mg/m3、烟囱高度15m为验收标准。
3.3 处理工艺选择
国内对高浓度丙烯腈废气的处理, 目前仍然以“吸附+催化燃烧”的联合处理工艺为主, 该法占地面积大、工艺过程复杂、控制要求严格, 而且造价昂贵。而随着工艺技术的进步, 利用活性炭纤维作为吸附介质, 通过提高吸附剂的吸附效率、吸附能力和吸附/解析的稳定性, 能够实现对废气一次吸附处理即可达标排放, 而且在占地省、投资少、控制灵活的基础上, 还能回收丙烯腈, 减少燃料消耗, 降低装置能耗, 提高项目的经济效益。
3.4 处理流程
来自储罐顶部的废气, 通过鼓风机鼓入新鲜空气, 一方面对废气加压输送, 另一方面将废气稀释至5g/m3, 方便处理。首先经过前过滤系统除去杂质并预热后, 进入活性炭纤维吸附槽内。吸附系统设置两组独立的吸附槽, 按照以下程序连续运行, 对废气中的丙烯腈进行吸附回收:
A槽:吸附—解吸—吸附
B槽:解吸—吸附—解吸
每个吸附周期大约15分钟。
吸附饱和后的活性炭纤维, 通入低压饱和蒸汽, 进行解析。解析后的含丙烯腈的废热蒸汽进入冷凝器通入冷却水冷却。冷凝下来的含丙烯腈的蒸汽凝液进入储槽集中收集和处理。未冷凝部分, 则循环至系统前置过滤器内, 重新经过风机送入吸附装置内进行重复处理。处理后的达标废气, 直接通过设置的排气筒高点直接排放。
处理过程采用PLC控制系统, 实现全自动操作, 最大限度的保证处理过程的稳定性、可靠性和安全性。
处理过程的示意流程如下:
4 结论
工程运行结果显示, 采用的活性炭纤维具有吸附速度快、吸附量大、寿命长、再生稳定等优点, 对丙烯腈的吸附率达到99.5%以上, 处理后的废气中丙烯腈含量不超过22mg/m3, 满足规范要求, 表明采用活性炭吸附法处理含丙烯腈废气得到了成功的应用。
摘要：丙烯腈属于国家安全监管总局首批重点监管的剧毒危险化学品, 因此对它的存储、使用、环保处理等均提出了更高的要求。本文以某仓储项目排放废气为例, 介绍了采用活性炭吸附法处理含丙烯腈废气的原理、方法、过程及处理指标等。
关键词：丙烯腈,活性炭纤维,吸附,废气
丙烯腈废气 篇2
关键词：丙烯腈,气液平衡,溶解度
1 概述
丙烯腈回收利用是丙烯酰胺装置重要的工艺过程之一, 对于降低整个装置的物耗、保证产品质量具有重要意义。该工艺过程简述如下:
在闪蒸罐T-2322蒸发出的丙烯腈和水, 经过KOC (分液冷凝器) 、1BC (一级常压冷凝器) 、2BC (二级常压冷凝器) 及3BC (三级常压冷凝器) 的分液冷凝作用, 逐步将丙烯腈和水回收到T-2323 (回收AN-水罐) 。其中KOC回收大量的水, 1、2、3BC回收大量的丙烯腈-水。从3BC来的废气在D–2321用25℃~30℃脱盐水吸收丙烯腈, 然后, 这些溶液送到1BC回收丙烯腈。同时多处的废气如:E-2326、E-2312、T-2321、D-2311处的废气都在D-2321处进行初步回收, 尤其是D-2311来的废气, 丙烯腈含量最高可达4Kg/h。
2 工艺原理
(1) 气液平衡
气液两相平衡共存时的自由度根据相律, 平衡物系的自由度F为
F=N-Φ+2
在吸收单位设备D-2321中, 组分数N=2, 相数Φ=2, 故平衡物系的自由度为2。
平衡物系涉及的参数为温度、压强与气、液两相的组成。气、液两相组成常以摩尔分数表示。对双组分物系, 一相中某一组分的摩尔分数确定后另一组分的摩尔分数也随之而定。液相或气相组成均可用单参数表示。这样, 温度、压强和液相组成 (或气相组成) 三者之中任意规定两个, 则物系的状态将被唯一地确定, 余下的参数已不能任意选择。压强一旦确定, 物系只剩下一个自由度。例如, 当指定了液相组成, 则两相平衡共存时的温度及气相组成必随之确定而不能任意变动。换言之, 在恒压下的双组分平衡物系中必存在着:
液相 (或气相) 组成与温度间的一一对应关系;
气、液组成之间的一一对应关系。
在一定温度下, 分压是直接决定溶解度的参数。当总压不太高时 (一般约小于0.5MPa, 视物系而异) , 总压的变化并不改变分压与溶解度之间的对应关系。但是, 当保持气相中溶质的摩尔分数y为定值, 总压不同意味着溶质的分压不同。因此, 不同总压下y-x溶解度曲线的位置不同。
以分压表示的溶解度曲线直接反映了相平衡的本质, 可直截了当地用以思考和分析问题;而以摩尔分数x与y表示的相平衡关系, 则可方便地与物料衡算等其它关系式一起对整个操作过程进行数学描述。
数学描述
该单元操作数学描述主要是物料的衡算:
①总物料衡算
②溶质 (丙烯酰胺) 物料衡算
式中F、x0——加料流率, kg/h及料液组成质量分数;
V、y——气相产物流率, kg/h及溶质组成质量分数;
W、x1——液相产物流率, kg/h及溶质组成质量分数。
(2) 根据气液平衡的原理, 某确定物质的气液平衡系统中蒸气压与其温度存在着一定的关系。一般情况下, 温度越高, 物质的饱和蒸汽压越高。
图1为不同温度下丙烯腈的蒸气压-温度曲线。从此图可以看出, 温度升高, 丙烯腈的蒸气压升高, 即其在水中的溶解度降低。
丙烯腈回收工艺正是利用了不同温度下丙烯腈饱和蒸汽压的差异, 采用4步冷凝及D-2321吸收方案, 逐步提浓丙烯腈, 做到最大限度回收丙烯腈。
3 研究内容
根据丙烯腈、水的蒸汽压-温度曲线, 各温度下丙烯腈及水的饱和蒸气压见表1。
根据拉乌尔定律, 由于
又
所以
式中:XAN、xH2O——液相中丙烯腈、水的浓度;
PAN、PM20——气相中丙烯腈、水的分压;
POAN、P0H20——丙烯腈、水的饱和蒸汽压;
P0——气相总压
在本系统中:
从上述计算结果看出, 20℃脱盐水的吸收效果明显优于30℃脱盐水的吸收效果。
式 (1) /式 (3) 得到:
很明显上式
因此, 降低丙烯腈吸收塔脱盐水的温度, 是提高浓缩废气中丙烯腈回收率的有效手段。原工艺中回收系统回收的丙烯腈-水温度大约为16℃, 经换热器蒸汽加热到50℃进入反应器。不仅冷量被浪费, 而且需要消耗蒸汽。根据工艺特点, 在回收丙烯腈-水进入反应系统前和加入丙烯腈吸收塔的大约30℃的脱盐水进行热交换, 将脱盐水温度冷却到20℃以下, 不仅可以提高丙烯腈吸收塔的丙烯腈吸收效率, 而且可以节约能耗。 (图2、图3)
4 工业化应用效果
两种浓缩废气处理工艺经济技术指标对比见表2。
5 结论
丙烯腈回收工艺对丙烯酰胺装置的长期可靠运行具有重要意义。在采用新的浓缩废气处理工艺后, 可减少蒸汽消耗0.05t/h, 多回收丙烯腈3kg/h, 在有效降低浓缩废气中丙烯腈含量300µg/ml, 不仅有利于后续的含丙烯腈废气处理工艺过程, 还能创造良好的经济效益。
在△AEB中, l=h⋅ctgα。
将l代入⑤式则得到切削齿有效切入深度h、有效后倾角a和承载面DACB之间的关系:
式6由图5可知, 当ctgh⋅α大于切削齿总厚度L时, ⑥式计算出的结果不是实际承载面的面积, 此时必须用S减去超出L部分的“多余曲面”S’的面积:, 其与方程④的解法相同, 本文不再赘述。
由初等立体几何可计算出等效平面CDB的面积Sd:
2.1.3 承载面对齿切削性能的影响
PDC钻头的破岩方式是以剪切破碎为主, 其破岩过程是:首先在切削齿所受的钻压作用下切入地层, 然后在钻头扭矩作用下向前运动使岩石发生剪切破碎。由于切削齿的有效切入深度必须达到或超过岩石的弹性应变极限才能使岩石发生破碎, 但是随着有效切入深度的增加, 承载面面积也随之增加, 在切削齿受力不变的情况下作用在承载面上的应力将随之减小, 当该应力小于岩石抗压强度时, 切削齿将无法切入地层。因此, 为了有效破碎岩石就必须使有效切入深度达到某一特定值, 亦即将承载面大小控制在一定范围以内。由于在井底工作的钻头运动、受力情况极其复杂, 要想控制其有效切入深度非常困难, 因此只有从另一方面, 即通过调整切削齿有效后倾角的大小来控制承载面的大小, 使作用在承载面上的应力达到能够破碎岩石的要求。通过前面的计算可以知道当有效切入深度相同时, 随着有效后倾角的增大, 承载面也随之减小, 作用在切削齿承载面上的应力也随之发生变化。
由于承载面上的应力分布复杂, 难以用一个简单的数学公式表达, 因此笔者引入了等效平均应力σd, 当其大于岩石抗压强度P时切削齿能有效切入地层: P。当然, 有效后倾角的选择并不是越大越好, 因为有效后倾角增大后虽然承载面积缩小了但齿前的排屑空间也会随之减小, 过大的后倾角反而不利于钻头排屑从而影响钻速。
2.2 切削齿基体侧面干涉
当切削齿在井底工作时必然在岩石上留下环形切削沟槽, 由于切削齿是一直的圆柱体, 当它绕钻头中心旋转时其齿面和基体其它部分并不在同一个轨迹内运动, 这时切削齿的圆柱形侧面和井底的环形沟槽之间很容易出现抵触和干涉现象。
当基体侧面干涉发生时, 没有切削能力的切削齿基体被强行压入环形沟槽的壁内, 这样一方面有可能造成基体碎裂或磨损, 另一方面使钻头受力更趋复杂增加了钻头的不稳定性。
要避免基体侧面干涉可以从两方面着手:一是将侧倾角限定在一定范围以内, 不设置过大的角度;二是适当增大后倾角, 使有效承载面缩小, 这样可以有效减小基体侧面干涉发生的几率。
3 结语
①由于切削齿几何形状的限制, 承载面干涉是无法避免的。但是可以通过合理的选用有效后倾角来减小其不利影响。当钻头机械钻速恒定时, 其承载面的大小是有效后倾角的函数, 且随着有效后倾角的增大而减小。
②为了有效破碎岩石必须将承载面面积限制在一定范围之内, 其度量可以用等效承载面上的平均等效应力来确定:
③承载面的大小同时也影响到切削齿基体的热磨损, 尤其是在研磨性强的地层为了避免基体的热磨损应选用较大的有效后倾角。
④当切削齿基体侧面干涉发生时可以采用增大有效后倾角和减小侧倾角值的方法来避免。
参考文献
[1]《PDC钻头运动学研究》, 李树盛、马德坤、侯季康, 《石油矿场机械》第25卷第4期
[2]中国专利《低摩擦力地下钻头及有关方法》, 阿莫科公司, 专利号CN1058824A, 1992年2月15日
废气中丙烯酸测定方法对比研究 篇3
由于丙烯酸是一种强酸性化合物, 在GC中需要用极性柱进行分离, 响应值较低, 检出限较高, 不能满足废气监测要求。本研究采用HPLC和IC两种方法对丙烯酸的测定条件进行试验, 并采用硅胶吸附管和多孔玻板吸收管进行实际废气样品的采样对比测定, 以期为丙烯酸废气的环境监测与管理提供技术参考。
1实验部分
1.1仪器与试剂
1260高效液相色谱仪-紫外检测器 (美国, Agilent公司) ;883离子色谱仪 (瑞士, 万通Metrohm) , 明澈-D24超纯水机 (美国, Millipore公司) , 2020型空气采样机 (青岛, 崂应) 。
丙烯酸标准品 (纯度>99.7%) 购自阿拉丁试剂有限公司, 用超纯水稀释配制为1000mg/L的储备液, 4℃避光保存。标准曲线由储备液稀释, 现用现配。甲醇、乙腈 (HPLC, MERCK公司) , 碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸为优级纯 (广州化学试剂厂) , 超纯水 (18.2MΩ·cm) 。
1.2样品的采集和制备
采用硅胶吸附管和多孔玻板吸收管 (用10m L纯水作为吸附剂) 两种方法进行废气样品的对比试验, 将采样管接到采样器上, 有组织废气以0.5 L/min流量, 采样20 min。无组织排放废气以0.5 L/min流量, 采气60 min。样品采集后, 将吸附管中的硅胶放入解吸瓶中, 加入10m L甲醇解吸, 振荡5min, 静置30min。将多孔玻板吸收管中的吸收液吹出待测。解吸液和吸收液过0.45µm微孔滤膜后上机测定。
2结果与讨论
2.1色谱条件的确定
经过优化选择, 得到丙烯酸的HPLC分析条件:ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱 (250 mm×4.6 mm, 5μm, Agilent公司) , 柱温:35℃;检测波长:210nm, 流动相:5%乙腈和95%水 (含0.1%磷酸) , 流速:1.5m L/min, 进样量:20μL。丙烯酸标准样品的HPLC谱图见图1, 在上述色谱条件下, 丙烯酸的出峰时间为3.95min。
环境空气中可能有多种阴离子与丙烯酸共存, 进行丙烯酸IC分析时需要考虑共存离子对其分离的影响。经过试验发现, 丙烯酸在Metrosep A Supp 4阴离子柱 (250 mm×4.6 mm, 5μm, Metrohm公司) , 淋洗液为1.8mmol/L Na CO3和1.7mmol/L Na HCO3;进样量为20μL的条件下与常见的共存阴离子 (F-、Cl-、NO3-、SO42-) 可以获得较好的分离。丙烯酸和4种阴离子的IC分离图谱如图2所示, 丙烯酸的出峰位置在F-和Cl-之间, 出峰时间为4.45 min。
2.2方法的线性范围、回归方程、检出限、定量限和精密度
为获得两种仪器法的线性范围、检出限、稳定性等指标参数, 配置了不同浓度的丙烯酸系列标准溶液, 按上述条件进行测定, 并依据HJ168-2010《环境监测分析方法标准制修订技术导则》进行检出限的测定, 结果如表1所示。由表1可知, HPLC法的灵敏度高, 在0.1~20mg/L范围内线性良好, 相关系数达到0.999, 重复7次测定的相对偏差 (RSD) 为2.8%, 检出限和定量限分别为0.01mg/L和0.04mg/L。IC法的灵敏度较低, 线性范围窄, 检出限和定量限及精密度等指标均差于HPLC法。HPLC和IC法的仪器检出限分别为0.01 mg/L和0.16 mg/L, 有组织排放废气按采样体积为10L, 吸收液 (解吸液) 为10m L计算, 两种方法检出限分别为0.01mg/m3和0.16 mg/m3。无组织排放废气按采样体积为30L, 吸收液 (解吸液) 为10m L计算, 两种方法检出限分别为0.003mg/m3和0.053 mg/m3。对比分析可知, HPLC的方法检出限较低, 符合丙烯酸有组织排放和无组织排放废气排放限值的要求, 而IC法检出限较高, 不适合低浓度废气样品的测定。
2.3实际样品测定
按照1.2方法选取一家化工厂进行有组织和无组织废气样品的采集对比测定, 结果见表2。从表2可知, 硅胶吸附管采集的有组织废气测定值为0.058 mg/m3 (n=3) , 相对偏差为10.7%;多孔玻板吸附管采集的有组织排放废气测定值为0.176 mg/m3 (n=3) , 相对偏差为5.0%, 说明两种采样方法对丙烯酸的吸附效率存在较大差异, 多孔玻板吸收法的吸附量和稳定性均高于硅胶吸附法。可能是由于丙烯酸属于酸性物质, 极易溶于水中, 使用纯水吸收的效率优于硅胶吸附, 用纯水作为吸附剂的多孔玻板吸收法吸附的丙烯酸较多。
3结论
HPLC和IC法对丙烯酸均有较好的分离效果, 其中HPLC法的灵敏度、线性范围、检出限、精密度等指标参数均优于IC法。HPLC法的有组织和无组织废气检出限分别为0.010 mg/m3和0.003 mg/m3, 适用于不同浓度丙烯酸废气的测定, 满足丙烯酸有组织和无组织废气排放限制要求。IC法的检出限较高, 不适用于低浓度废气样品的测定。多孔玻板吸收法 (以纯水为吸收液) 对丙烯酸的吸附效率和稳定性均优于硅胶吸附法, 适用于废气中丙烯酸的采样测定。
参考文献
[1]GBZ2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值, 化学有害因素》[S].北京:中华人民共和国卫生部, 2007.
[2]DB11/501-2007《大气污染物综合排放标准》[S].北京:北京市环境保护局;北京市质量技术监督局, 2008.
[3]阮征, 钱亚玲, 卢秀静, 张幸.工作场所空气中丙烯酸测定方法研究[J].中国职业医学, 2007, 34 (03) :226-227.
[4]施超欧, 栾绍嵘, 吴翔.离子色谱法测定丙烯酸废液中丙烯酸和甲基磺酸的含量[J].分析仪器, 2003 (04) :34-36.
丙烯腈废气 篇4
关键词：甲苯,丙烯酸,吸附,活性碳纤维
丙烯酸是一种重要的化工原料, 广泛应用于涂料、纺织、塑料、石油开采等领域。近年来, 丙烯酸的需求量逐年增大, 预计2015年全球丙烯酸需求增长率将达4%以上[1,2]。但在丙烯酸的生产过程中, 多数厂家采用乙基环己烷和甲苯或丙酸乙酯和甲苯作为共沸剂[3], 由此产生了大量含丙烯酸和甲苯的混合废气, 若直接排放会造成严重的环境污染, 危害人类健康。
吸附法因操作方便、能耗低、去除率高、无二次污染、吸附剂易再生循环使用等特点[4,5,6,7]在处理含甲苯废气中得到广泛应用。目前, 粒状活性炭 (GAC) 是研究和应用最多的吸附剂[8,9], 但GAC吸附回收率低, 设备使用寿命短、存在飞温和易磨损的缺陷, 造成投资和运行费用较高[10]。
活性碳纤维 (ACF) 是继GAC之后出现的碳质吸附剂, 具有比表面积大、微孔丰富、吸附容量大、吸/脱附速率快、再生能力强等特点[11]。目前以ACF为吸附剂应用于环境污染气体治理的研究较多[12,13], 但处理含丙烯酸和甲苯混合废气的研究尚未见报道。
本工作以氮气为载气, 配制了含丙烯酸和甲苯的模拟废气。采用动态吸附法, 考察了ACF对模拟废气中丙烯酸和甲苯的吸附效果, 对ACF处理丙烯酸生产中产生的含丙烯酸和甲苯的混合废气具有指导意义。
1 实验部分
1.1 材料和仪器
黏胶基ACF:江苏同康活性炭纤维有限责任公司。ACF的物性参数见表1。甲苯:分析纯;丙烯酸:化学纯。
AUTO SORB-1-MP型自动吸附仪、SP2100型气相色谱分析仪:北京北分瑞利分析仪器 (集团) 有限责任公司;D08-8C/ZM型流量积算仪:北京七星华创电子股份有限公司;2ZB-1L10型双柱塞泵:北京卫星制造厂;SGK-2LB型低噪音空气泵:北京东方精华苑科技有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱:上海一恒科技有限公司;JA5103N型电子天平:上海民桥精密科学仪器有限公司。
1.2 实验流程
根据动态吸附原理, 设计了ACF吸附模拟废气中丙烯酸和甲苯的工艺流程, 见图1。将丙烯酸和甲苯混合液通过双柱塞泵进入混合罐, 在混合罐中与通过流量积算仪控制流速后的氮气混合。混合气通过缓冲罐进行流速控制后, 进入ACF吸附柱。在ACF吸附柱的进出口分别设置取样点, 取样进行分析。ACF采用热脱附再生。
1.3 分析方法
采用气相色谱分析仪分析ACF吸附柱进出口气体, 计算气体质量浓度。
在吸附过程中, 吸附带开始在吸附柱的出口出现时, 单位质量吸附剂中的吸附量称为穿透吸附量, 此时的吸附时间为穿透吸附时间。随吸附时间的延长, 当单位时间内被固体表面吸附的分子数量与逸出的分子数量相等时, 吸附达到平衡, 吸附质在单位质量吸附剂中的吸附量称为饱和吸附量, 此时的吸附时间为饱和吸附时间。吸附量 (Q, mg/g) 的计算方法见式 (1) 。
undefined (1)
式中:t为吸附时间, min;f为校正因子;A0为进口气体峰面积;A为t时刻出口气体峰面积;Fc为载气流量, L/min;ρ为吸附质密度, mg/cm3;m为吸附剂的质量, g。
2 结果与讨论
2.1 ACF吸附甲苯的性能
在载气流量为0.80 L/min、吸附温度为20 ℃的条件下, ACF对单组分气体中甲苯的吸附性能见表2。由表2可见, ACF对甲苯表现出优异的吸附性能, 穿透、饱和吸附量分别高达375.1 mg/g和733.2 mg/g。
2.2 ACF吸附丙烯酸的性能
在吸附温度为25 ℃的条件下, ACF对单组分气体中丙烯酸的吸附性能见表3。由表3可见:ACF对丙烯酸表现出良好的吸附性能;随载气流量增加, ACF的穿透、饱和吸附时间分别缩短至原来的1/4和3/8;穿透、饱和吸附量分别由原来的178.7 mg/g和567.2 mg/g降至130.4 mg/g和470.9 mg/g。载气流量增加, 气相中丙烯酸含量增多, 丙烯酸分子在ACF床层中的传递速率加快, 引起穿透时间缩短;同时丙烯酸吸附的控速步骤由内扩散变为外扩散, 丙烯酸分子和吸附剂表面接触时间短、孔隙利用率低, 引起吸附量减少。
2.3 ACF吸附模拟废气中的丙烯酸和甲苯
2.3.1 丙烯酸质量分数对ACF吸附丙烯酸和甲苯的影响
在载气流量为1.60 L/min、双柱塞泵流量为6.1 mL/h、吸附温度为21 ℃的条件下, 丙烯酸质量分数对ACF吸附量的影响见图2, 不同丙烯酸质量分数下的穿透曲线见图3。由图2和图3可见:当丙烯酸质量分数由0.2%增至1.0%时, ACF饱和吸附时间由40 min增至60 min, 饱和吸附量变化不大;穿透时间由10 min减至5 min, 穿透曲线升速变缓, 传质区增长。这表明丙烯酸的存在不利于ACF吸附甲苯, 这是因为气相吸附过程中, 随着混合气中丙烯酸质量分数增加, 极性强弱差别较大的丙烯酸和甲苯分子竞争激烈, 引起传质速率减慢;同时丙烯酸分子直径较大, 引起ACF空隙利用率降低。
2.3.2 载气流量对ACF吸附丙烯酸和甲苯的影响
在丙烯酸质量分数为0.2%、吸附温度为26 ℃的条件下, 载气流量对ACF吸附丙烯酸和甲苯的影响见表4。由表4可见:载气流量由1.00 L/min增至2.00 L/min时, ACF的穿透时间和饱和吸附时间分别缩短至原来的1/5和1/8;穿透吸附量和饱和吸附量均呈现先增加后减少的趋势;当载气流量 为1.60 L/min时, ACF穿透、饱和吸附量均达最大 值, 分别为227.5 mg/g和460.0 mg/g。
2.3.3 重复使用次数对ACF吸附性能的影响
在热脱附温度为190 ℃、脱附时间为30 min的条件下, 穿透吸附量随重复使用次数的变化见图4。由图4可见:ACF重复使用时, 穿透吸附量呈下降趋势;ACF重复使用10次后, 达吸附稳定值, 穿透吸附量为90.9 mg/g (为初始值的40%) 。这是由于ACF热脱附不完全, 一些分子积聚在ACF孔隙中形成堵塞, 多次重复使用后累积在ACF孔隙中的分子越来越多, 引起穿透吸附量下降。因此, 在实际应用ACF吸附丙烯酸和甲苯过程中, 可根据具体情况选择ACF的重复使用次数。
综上所述, 在吸附温度为26 ℃、混合气中丙烯酸质量分数为0.2%、双柱塞泵流量为6.1 mL/h、载气流量为1.60 L/min的条件下, ACF吸附模拟废气中的甲苯和丙烯酸, 穿透时间为10 min, 穿透吸附量为227.5 mg/g, 饱和吸附时间为40 min, 饱和吸附量为460.0 mg/g。
3 结论
a) ACF在分别处理甲苯和丙烯酸的过程中均表现出了优异的吸附性能。采用ACF吸附丙烯酸, 在载气流量为1.60 L/min时, ACF的穿透、饱和吸附量分别为178.7 mg/g和567.2 mg/g。
b) ACF处理模拟废气中的丙烯酸和甲苯是可行的, 但丙烯酸的存在不利于ACF吸附甲苯, 随丙烯酸质量分数的增加, 副作用逐渐明显。