王 寧，朱兆堅(jiān)，周 兵，郭孝虎，阮志偉，翟廷婷，張煒銘,2

（1.江蘇南大環(huán)?？萍加邢薰?國(guó)家環(huán)境保護(hù)有機(jī)化工廢水處理與資源化工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210046；2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

0 引言

揮發(fā)性烷烴類化合物在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中正己烷作為一種重要的有機(jī)溶劑，可作為有機(jī)合成的溶劑、食用植物油的提取劑、橡膠和涂料的溶劑以及顏料的稀釋劑等。由于正己烷具有低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的特性，它在生產(chǎn)過(guò)程中極易揮發(fā)并污染大氣，同時(shí)又造成大量的資源浪費(fèi)[1]。當(dāng)前，吸附技術(shù)在揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）治理領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用[2-3]，江蘇南大環(huán)?？萍加邢薰境晒ρ邪l(fā)出的NDA 系列VOCs 專用新型吸附材料可根據(jù)吸附對(duì)象尺寸進(jìn)行人為調(diào)配，具有比表面積大、易于再生、疏水性較強(qiáng)、吸附溫升較緩和、安全性高、耐溫范圍大等優(yōu)勢(shì)，在揮發(fā)性有機(jī)廢氣資源化回收利用方面具有極大的應(yīng)用前景[4-7]。

本研究采用NDA-150型納米吸附樹(shù)脂作為吸附劑，以正己烷為吸附對(duì)象開(kāi)展動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，探究吸附溫度、初始濃度、停留時(shí)間等因素對(duì)樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附的影響，同時(shí)研究了樹(shù)脂脫附蒸汽用量等問(wèn)題，從而為后續(xù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

主要儀器：玻璃吸附柱Ф40×320 mm（實(shí)驗(yàn)室自制）；9890A 通用型氣相色譜儀 (上?？∑鎯x器設(shè)備有限公司)：恒溫水槽（金壇實(shí)驗(yàn)儀器廠）；AL204型電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）：正己烷，分析純（南京化學(xué)試劑有限公司）；NDA-150 納米吸附樹(shù)脂（江蘇南大環(huán)?？萍加邢薰荆?。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米吸附樹(shù)脂的預(yù)處理

首先，稱取一定量廢氣專用型NDA-150 納米吸附樹(shù)脂，采用4.0%的HCl 溶液潤(rùn)洗，再用去離子水洗至中性。然后，用4.0%的NaOH 溶液潤(rùn)洗，再用去離子水洗至中性。最后，在索式提取器中用無(wú)水乙醇抽提8 h，在105℃條件下烘干后置于廣口瓶中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 動(dòng)態(tài)吸附行為研究

納米樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)裝置由配氣系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)等3 個(gè)部分組成，見(jiàn)圖1。廢氣進(jìn)入吸附柱，吸附柱通過(guò)循環(huán)水浴進(jìn)行保溫，廢氣中正己烷廢氣濃度可利用氣相色譜儀分析得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 操作條件對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響

吸附柱內(nèi)裝填150 g 經(jīng)預(yù)處理后的NDA-150納米吸附樹(shù)脂，樹(shù)脂裝填高度為40 cm，研究不同的吸附溫度、進(jìn)氣濃度和停留時(shí)間等因素對(duì)樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附正己烷的影響，本研究以Ct/C0=0.10為穿透點(diǎn)，穿透吸附量通過(guò)穿透曲線面積計(jì)算求得，曲線面積在Origin2019 軟件中積分求得，各吸附條件下穿透時(shí)間和穿透吸附量見(jiàn)表1。

表1 各種工況條件下納米樹(shù)脂的穿透吸附情況

由表1可知，延長(zhǎng)停留時(shí)間、降低吸附溫度和增加進(jìn)氣濃度均可提高納米樹(shù)脂對(duì)正己烷的穿透吸附量，各個(gè)條件對(duì)穿透吸附量的影響比較見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)氣濃度、吸附溫度及停留時(shí)間對(duì)穿透吸附量的影響

圖1 動(dòng)態(tài)吸附柱裝置示意

精確控制N2氣量，其中一路通入裝有正己烷的配氣瓶，制得飽和的正己烷蒸汽，另一路作為稀釋氣與其在緩沖瓶中混合穩(wěn)定，通過(guò)流量器來(lái)調(diào)節(jié)2 路氣體的氣量比，從而配制得不同濃度的正己烷廢氣，進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濃度及停留時(shí)間均對(duì)正己烷的穿透吸附量產(chǎn)生重要影響。為考察各條件對(duì)穿透吸附量影響的大小，定義ΔT為各條件的變化量；ΔM為相應(yīng)穿透吸附量的變化量；|ΔM/ΔT|為各條件對(duì)應(yīng)的穿透吸附量平均變化率絕對(duì)值，|ΔM/ΔT|值越大，說(shuō)明所對(duì)應(yīng)的因素對(duì)穿透吸附量的影響越大。由表2可以得出，進(jìn)氣溫度對(duì)正己烷的穿透吸附量影響最大，停留時(shí)間的影響較小。

2.2 操作條件對(duì)脫附的影響

吸附飽和正己烷后的納米樹(shù)脂通常采用0.10 MPa 的蒸汽進(jìn)行再生，同時(shí)采用深度冷凝法對(duì)吹脫出來(lái)的正己烷廢氣進(jìn)行回收利用，脫附率按照式（1）計(jì)算得出，本實(shí)驗(yàn)探究不同蒸汽用量對(duì)樹(shù)脂脫附率的影響。

式中：Y為納米樹(shù)脂的脫附率；m1為樹(shù)脂吸附前的質(zhì)量，g；m2為樹(shù)脂吸附后的質(zhì)量，g；m3為冷凝后的正己烷油相的質(zhì)量，g；m4為水中溶解的正己烷質(zhì)量，g。

不同蒸汽用量對(duì)納米樹(shù)脂的脫附率影響見(jiàn)表3。

表3 不同蒸汽用量對(duì)納米樹(shù)脂的脫附率影響

由表3可知，針對(duì)吸附飽和正己烷的納米樹(shù)脂，利用吸附正己烷總量2倍的蒸汽基本就可以將樹(shù)脂脫附完全，這主要得益于納米吸附樹(shù)脂孔徑分布適中，除含有大量微孔外，還含有一定比例的中孔及大孔，這些中孔、大孔可以作為吸附質(zhì)分子擴(kuò)散進(jìn)入微孔內(nèi)部的通道，吸附作用力較弱，擴(kuò)散速度快，易于脫附。

2.3 實(shí)驗(yàn)研究參數(shù)

通過(guò)小試研發(fā)確定的最佳工藝參數(shù)如下：吸附溫度：20℃；吸附形式：采用雙柱串聯(lián)吸附；單柱吸附停留時(shí)間3 s；穿透吸附量：210 mg/g 干樹(shù)脂；再生工藝參數(shù)：2倍樹(shù)脂對(duì)正己烷吸附量的飽和蒸汽（0.1 MPa）+冷風(fēng)吹掃降溫。

3 工程應(yīng)用

3.1 廢氣工況條件

宿遷某醫(yī)藥企業(yè)合成車間產(chǎn)生的高濃度正己烷廢氣，經(jīng)前端2 級(jí)冷凝回收處理后，還有部分未冷凝下來(lái)，廢氣中正己烷質(zhì)量濃度約10 000 mg/m3，氣量約2 500 m3/h，業(yè)主要求出口廢氣中正己烷質(zhì)量濃度低于80 mg/m3，同時(shí)對(duì)正己烷進(jìn)行資源回收利用。

3.2 樹(shù)脂吸附處理工藝流程

宿遷某醫(yī)藥企業(yè)正己烷廢氣樹(shù)脂吸附處理與資源化工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 廢氣處理與資源化工藝流程框

3.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備型號(hào)

（1）廢氣預(yù)處理系統(tǒng)1套；配套設(shè)備：引風(fēng)機(jī)1臺(tái)，Q=3 000 m3/h，P=5 800 Pa，N=7.5 kW，變頻電機(jī)；除霧器1臺(tái)，設(shè)計(jì)尺寸：D×H=1 400 mm×2 000 mm，材質(zhì)為SUS304。

（2）樹(shù)脂吸附塔3臺(tái)，設(shè)計(jì)尺寸：D×H=1 800 mm×3 200 mm，有效容積為5.0 m3；材質(zhì)為SUS304，內(nèi)裝填納米吸附樹(shù)脂2.1 m3；配套設(shè)備：操作平臺(tái)1座，設(shè)計(jì)尺寸：L×B×H=8.0 m×5.0 m×5.0 m，材質(zhì)為碳鋼。

（3）樹(shù)脂脫附系統(tǒng)1套；配套設(shè)備：冷卻風(fēng)機(jī)1臺(tái)，Q=1 500 m3/h，P=3 600 Pa，N=4.0 kW，變頻電機(jī)；一級(jí)冷凝器1臺(tái)，F(xiàn)=30 m2，材質(zhì)為SUS304；二級(jí)冷凝器1臺(tái)，F(xiàn)=5 m2，材質(zhì)為SUS304。

（4）溶劑回收系統(tǒng)1套；配套設(shè)備：油水分離器1臺(tái)，設(shè)計(jì)尺寸：L×B×H=1.0 m×1.0 m×2.0 m，有效容積為2.0 m3，材質(zhì)為SUS304；油相計(jì)量槽1臺(tái)，設(shè)計(jì)尺寸：L×B×H=0.6 m× 0.6 m× 1.2 m，有效容積為0.4 m3，材質(zhì)為SUS304；水相暫存槽1臺(tái)，設(shè)計(jì)尺寸：L×B×H=0.8 m×0.8 m×1.5 m，有效容積為1.0 m3，材質(zhì)為SUS304；油相輸送泵2臺(tái)，型號(hào)25CQ-15，Q=5.0 m3/h，H=15.0 m，N=1.1 kW，1 用1 備，變頻電機(jī)；水相輸送泵2臺(tái)，型號(hào)IHF40-32-160，Q=6.3 m3/h，H=32.0 m，N=2.2 kW，1 用1 備，變頻電機(jī)。

3.4 運(yùn)行處理效果

該廢氣處理工程化裝置調(diào)試運(yùn)行期為15 d，各單元的運(yùn)轉(zhuǎn)情況正常，吸附處理后的廢氣中正己烷濃度完全優(yōu)于約定的指標(biāo)要求，并且每天可以回收585 kg 的正己烷溶劑，處理前后的工況條件見(jiàn)表4。

表4 正己烷廢氣治理各單元處理指標(biāo)情況

3.5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

該廢氣通過(guò)樹(shù)脂吸附技術(shù)進(jìn)行治理后，不僅可以解決該廢氣排放的難題，同時(shí)每天還可從廢氣中回收585 kg 的正己烷溶劑，折合經(jīng)濟(jì)價(jià)值約4 680元，每天處理費(fèi)用約1 700元，扣除運(yùn)行成本還有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）本項(xiàng)目選擇NDA－150 納米樹(shù)脂作為正己烷廢氣關(guān)鍵吸附材料，再利用蒸汽進(jìn)行脫附處理，使得吸附飽和的樹(shù)脂能夠徹底恢復(fù)吸附性能，為今后類似項(xiàng)目提供了一定的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)思路。

（2）通過(guò)小試研發(fā)確定的最佳工藝參數(shù)如下：吸附溫度：20℃；吸附形式：雙柱串聯(lián)吸附；單柱吸附停留時(shí)間3 s；穿透吸附量：210 mg/g 干樹(shù)脂；再生工藝參數(shù)：2.0倍樹(shù)脂對(duì)正己烷吸附量的飽和蒸汽（0.1 MPa）+冷風(fēng)吹掃降溫。

（3）實(shí)際工程實(shí)踐中取得了與小試研發(fā)一致的效果，樹(shù)脂吸附工藝對(duì)正己烷的去除率穩(wěn)定大于99.2%：出口廢氣中正己烷的質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于80 mg/m3，成功解決了該企業(yè)正己烷廢氣的排放問(wèn)題。

（4）本工程裝置占地約100 m2，投資約140萬(wàn)元，每天回收正己烷質(zhì)量約585 kg，回收效益約4 680元，扣除運(yùn)行成本還有較大盈余。經(jīng)測(cè)算，2 a 內(nèi)就可收回全部工程投資費(fèi)用，從而實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的有效統(tǒng)一。