[摘要]針對揮發(fā)性有機廢氣的回收治理工藝中的典型吸附材料顆粒炭，以甲苯為VOCs的代表物，對影響吸附器性能的床層高度、氣體濃度、空床流速等因素進行了探討。研究表明，顆粒炭對甲苯廢氣處理效果良好。

[關鍵詞]VOCs回收治理甲苯

揮發(fā)性有機化合物(Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs)是石油化工、制藥工業(yè)、印刷工業(yè)、涂裝行業(yè)、表面防腐等行業(yè)排放廢氣中的主要污染物。大多數(shù)的VOC都具有毒性，對人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，對心、肺、肝等內臟及神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突變。VOC會破壞大氣臭氣層，產(chǎn)生光化學煙霧及導致大氣酸性化。世界各國都在通過立法不斷限制VOC的排放量，如美國《凈化大氣法》強調在未來幾年要減少189種有毒化學品90%的排放[1]，其中70%的化學品是揮發(fā)性有機化合物。

VOCs的治理方法主要有催化燃燒法[1，2，3]、冷凝法、吸收法[4，5]、生化法[6]和吸附法[7，8]。其中吸附法因其具有簡單、實用、環(huán)保、可回收等優(yōu)點而成為最有潛力的VOCs治理方法。近年來，隨著不可再生的資源的日益短缺，各種溶劑價格一路上漲，使對各種VOC尾氣中的有機溶劑進行回收成了迫在眉睫的任務，同時回收的溶劑所帶來的經(jīng)濟效益也成為企業(yè)利潤的一個新的增長點。

在揮發(fā)性有機廢氣的回收治理工藝中，顆粒炭吸附—水蒸汽脫附—冷凝回收是一種典型的回收工藝。本文針對該工藝中的核心吸附材料顆粒炭，建立了動態(tài)吸附實驗裝置，系統(tǒng)研究了吸附床層高度、廢氣濃度、吸附器空床流速等參數(shù)對甲苯廢氣在顆粒炭固定床吸附器上吸附行為的影響，以備工程設計時參考。

1實驗部分

1.1 實驗流程

本實驗流程如圖1所示，主要包括配氣系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)由恒溫水浴鍋、蒸發(fā)瓶、混合瓶和兩路氣體組成。吸附過程在一根Φ30×300的層析玻璃柱中進行。整個管路采用Φ10的耐溫硅膠管連接，系統(tǒng)密封可靠。檢測系統(tǒng)采用氣

相色譜儀直接氣體進樣分析。

圖 1吸附實驗流程圖

吸附材料采用國內某廠家提供的溶劑回收用柱狀顆粒炭，外形尺寸Φ4×8mm，吸附質采用甲苯廢氣。

1.2 分析方法

氣相色譜儀分析:國產(chǎn)GC1100型，北京普析通用儀器有限責任公司。

檢測器:氫火焰檢測器。

色譜柱:采用SE-30毛細管柱，30m×Φ0.32mm×1.0μm。

柱溫:120℃，進樣室溫度:150℃。

檢測器溫度:160℃。

分流比:30:1(分流流量60mL/min)。

進樣量:200μL氣體直接進樣。

2實驗結果及分析

2.1 吸附床層高度的影響

以甲苯作為VOCs的代表物，通過改變吸附柱中填裝的顆粒炭層高度，考察碳層高度對相同穿透點所對應的顆粒炭吸附率的影響。該系列實驗中甲苯廢氣濃度在5g/m3左右，碳層流速0.18m/s。不同床層高度的穿透曲線如圖2所示，從

*注:國家863計劃資助項目，課題名稱:大氣揮發(fā)性有機物排發(fā)控制技術與應用示范。重大項目名稱:重點城市群大氣復合污染綜合防治技術與集成示范，課題編號:2006AA06A310。

圖中可以計算出當甲苯廢氣上的穿透率達到10%時，5cm、10cm、15cm床層對應的穿透時間分別為:113min，242min，378min，對應的吸附率分別為:24.97%，27.45%，27.33%。

圖 2不同吸附床層高度的穿透曲線

吸附率計算公式:吸附率=

從圖中可以看出不同高度碳床的穿透曲線形狀基本相同，除了5cm高度的碳層在穿透率為10%時對應的吸附率稍低，10cm與15cm高度的碳層在穿透率為10%時所對應的吸附率基本相同。通過傳質區(qū)模型[9]計算(假設傳質區(qū)通過吸附器的速度和寬度皆為定值)，得傳質區(qū)通過吸附器的速度為0.0368cm/min，傳質區(qū)寬度為9.2cm，由于碳層高度5cm已經(jīng)遠低于一個傳質區(qū)寬度，因此相同條件下測量的吸附率偏低。

2.2 不同甲苯進口濃度的影響

實驗條件:吸附溫度:28℃;吸附床層高度:10cm;流速:0.18m/s;甲苯廢氣濃度:3.48g/m3，5.66 g/m3，8.09 g/m3，12.88 g/m3。

不同甲苯濃度的廢氣在顆粒炭上的穿透曲線如圖3所示，由圖可得隨著濃度的變大，穿透曲線的形狀由平緩變得越來越陡，即隨著廢氣濃度的增加，相同碳層高度的活性炭變得越來越容易穿透。

圖 3不同甲苯濃度的穿透曲線

由圖3的曲線，計算出在不同出口濃度下分別對應的顆粒炭動態(tài)吸附率如表1所示:

表 1不同出口濃度下的顆粒炭動態(tài)吸附率

進口甲苯濃度(g/m3)出口甲苯濃度為100mg/m3的吸附率(%)出口甲苯濃度為300mg/m3的吸附率(%)出口甲苯濃度為400mg/m3的吸附率(%)出口甲苯濃度為500mg/m3的吸附率(%)

3.4822.2726.7328.0228.74

5.6620.0824.6225.7526.77

8.0920.7324.0824.7525.58

12.8817.1221.422.223.27

吸附率計算公式:吸附率=

由表1可知，隨著廢氣濃度的增加，在相同出口濃度下，活性炭的吸附率是逐漸降低的，由此可見濃度越高對吸附過程越不利。而對相同濃度的廢氣，隨著出口濃度的增加，吸附率也會相對增加，這從我們吸附率的計算公式中也可以直接推測。

2.3 不同空床氣速的影響

實驗條件:吸附溫度:28℃;吸附床層高度:10cm;甲苯濃度:≈5g/m3;空床氣速:0.1m/s，0.3m/s，0.5m/s，0.75m/s。

圖 4不同空塔流速的穿透曲線

不同空床氣速的穿透曲線如圖4所示，由圖可得隨著空床氣速的增加，穿透曲線的形狀也會由平緩變得越來越陡，即隨著流速的增加，相同碳層高度的活性炭變得越來越容易穿透。通過穿透曲線計算，在吸附過程中當出口甲苯濃度都達到500mg/m3時，各流速下吸附碳床對應的吸附率如表2所示。如表所示，除了流速在0.1m/s時的吸附率較高外，0.3和0.5m/s流速下的吸附率差別不大，而當流速增加到0.75m/s時，吸附率有開始明顯下降的趨勢。

表 2不同流速下的甲苯吸附率

流速(m/s)0.10.30.50.75

出口濃度=500mg/m3時的吸附率(%)36.0627.7528.0623.88

在實驗中我們發(fā)現(xiàn)流速對碳床壓降的影響也非常明顯，圖5為該顆粒炭空塔氣速與壓降的曲線，在一定流速的范圍內，壓降和流速幾乎成正比關系。因此在吸附器工程設計過程中，不管從對吸附率的影響或從對床層壓降的影響出發(fā)，空床流速的選取都應該非常值得注意。筆者認為對于顆粒炭吸附器，空床流速控制在0.1～0.5m/s之間是比較合適的。

圖 5流速與壓降的關系

3結論

本文中的吸附實驗都是在室溫(30℃)、大氣濕度在80%左右的條件下進行，與工程實際基本相近。由于顆粒炭表面的疏水特性[10]，該顆粒炭在實驗條件下對非極性的甲苯廢氣的吸附實驗中顯示了優(yōu)異的處理效果。

在甲苯濃度5g/m3，空塔氣速0.18m/s的條件下，該顆粒炭傳質區(qū)寬度為9.2cm。因此在工程設計中，碳層高度至少應大于9.2cm，實際中一般取60~100cm。

進口氣體濃度越大，顆粒炭床層越容易被穿透，因此在實際工程設計中，針對不同進口濃度的廢氣治理，應有針對性的、合理的選擇不同吸附率的活性炭，對高濃度的廢氣可以選擇高吸附率的活性炭，對低濃度的廢氣治理可以選擇吸附率較低的活性炭進行治理，以達到合理利用資源的目的。

氣體流速對顆粒炭的動態(tài)吸附率和吸附器床層壓降都有較大影響，如果氣體流速過大則設備壓力降增大，耗電量和維修費用增高，如果氣流速度過小，則吸附器斷面積過大，設備占地面積增大。在實際設計中應認真考慮流速的影響，筆者認為空床流速控制在0.1～0.5m/s之間對吸附器設計都是合適的。

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