陳向魁

［杜爾涂裝系統(tǒng)工程（上海）有限公司，上海 201799］

蓄電池用高密度聚乙烯(PE)隔板生產(chǎn)過(guò)程中要利用化學(xué)溶劑對(duì)隔板進(jìn)行抽油處理。通過(guò)對(duì)原料油進(jìn)行萃取，從而形成產(chǎn)品所需的孔隙率。再經(jīng)干燥處理，將化學(xué)溶劑回收利用。PE隔板上用于供正負(fù)電子通過(guò)的微孔就是通過(guò)該抽油工藝后形成的。三氯乙烯（TCE，CH2Cl3）是蓄電池PE隔板生產(chǎn)中最常用的工藝油萃取溶劑。

在世界范圍內(nèi)，20多家大型PE隔板生產(chǎn)商中大都使用TCE作為萃取溶劑進(jìn)行生產(chǎn)。以一條5 000m2/h產(chǎn)線的干燥箱為例，每小時(shí)有近1 800 kg TCE需要被干燥回收。另外，TCE是有毒有害污染物，被世界衛(wèi)生組織列入一類(lèi)致癌物清單。因此，對(duì)于PE隔板干燥過(guò)程揮發(fā)的TCE進(jìn)行回收，不僅具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更是環(huán)保排放的要求。

1 處理方法的選擇

在評(píng)估一個(gè)特定的環(huán)境揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)問(wèn)題時(shí)，首先解決的主要問(wèn)題是使用什么樣的處理方法。表1列出了一些用于控制工業(yè)氣體污染物的比較常見(jiàn)的方法。TCE作為一種常見(jiàn)的工業(yè)VOC，也遵循同樣的選擇。

表1 常見(jiàn)的工業(yè)氣體污染物處理適用技術(shù)選擇

吸附是指氣體分子通過(guò)固體顆粒床層時(shí)，由于吸引力的作用而選擇性地吸附在固體表面上的現(xiàn)象，這種吸引力比化學(xué)鍵的作用弱。當(dāng)氣流中的分子附著在固體表面時(shí)，能量就會(huì)釋放出來(lái)。這種能量被稱(chēng)為“吸附熱”，通過(guò)提高溫度、降低壓力或引入更強(qiáng)的吸附物質(zhì)，大多數(shù)氣體可以從吸附劑中被解吸附。吸附是一種非破壞性的污染控制技術(shù)，用于去除氣流中的VOC，尤其是當(dāng)必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的出口濃度和/或需要回收VOC時(shí)。

活性炭是最早使用并且最為常用的吸附劑，是由煤、木材和椰子殼等多種材料高溫蒸汽裂解而成。由于其高比表面積和存在各種尺寸的小孔隙，產(chǎn)生的碳具有優(yōu)異的吸附特性。其中椰殼活性炭表面積通常超過(guò)1 000m2/g，表觀密度約為0.50g/cm3。另外，椰殼活性炭主要用于氣相應(yīng)用，并且在更高的濕度下表現(xiàn)得更好[1]。TCE分子由于其扁平的幾何形狀，可以進(jìn)入碳微孔的深層區(qū)域。降低碳表面親水性降低，控制微孔體積小于10?，TCE吸附量增加[2]。

2 進(jìn)氣溫度、濕度調(diào)節(jié)

大多數(shù)活性炭供應(yīng)商已經(jīng)制定了一系列VOC的吸附等溫線。不同溫度下的等溫線表明了溫度對(duì)吸附能力的影響。

在圖1可以看出，在相同TCE濃度水平下，溫度為0℃時(shí)，活性炭對(duì)TCE的吸附能力要高于溫度為60℃時(shí)的吸附能力。

圖1 活性炭-TCE 吸附等溫線

Cosnier等在常溫狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣的濕度，對(duì)不同的活性炭吸附TCE的性能進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖2。濕度對(duì)于穿透時(shí)間（活性炭從開(kāi)始吸附到接近飽和，出口TCE濃度開(kāi)始增大的時(shí)間）有一定的影響。也有研究表明，TCE的吸附取決于系統(tǒng)中存在的水分種類(lèi)。如果水分是預(yù)吸附于活性炭中，TCE的吸附表現(xiàn)為取代水的過(guò)程，活性炭吸附能力保持不變，有時(shí)發(fā)生一些穿透鋒形狀的變化，對(duì)應(yīng)于分子擴(kuò)散的受阻。相反，同時(shí)吸附蒸汽和TCE會(huì)導(dǎo)致水和TCE之間的競(jìng)爭(zhēng)吸附，直接影響活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)和吸附能力。

圖2 不同濕度下活性炭穿透時(shí)間對(duì)比

通常，PE隔板烘箱出口的排氣溫度通?？蛇_(dá)100℃左右,相對(duì)濕度在60%~90%。可以在進(jìn)入活性炭吸附罐之前，對(duì)制程排氣進(jìn)行冷卻預(yù)處理，利用TCE和水蒸氣在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓這一性質(zhì)，降低溫度使其中部分TCE和水蒸氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，進(jìn)而從氣相中分離出來(lái)，從而更有利于后續(xù)的活性炭吸附過(guò)程。

3 活性炭再生方法的選擇

再生是指從活性炭中去除或解吸TCE的過(guò)程，熱再生是一種廣泛應(yīng)用的方法。在使用熱再生的系統(tǒng)中，溫度升高，增加TCE分子的動(dòng)能。當(dāng)TCE分子的動(dòng)能增加到足以克服將分子吸附在活性炭上的力時(shí)，TCE分子被解吸。所需的溫度取決于TCE的含量，通常在110 ~ 170℃。

有些溶劑在較高的溫度或空氣或水中的共沸物更容易降解。如果是這種情況，則使用惰性氣體吸附。對(duì)于TCE解吸，蒸汽解吸是一種常用的方法，低壓干蒸汽被送入充滿(mǎn)溶劑的活性炭床。蒸汽將被解吸的TCE溶劑抽走，然后將它們分離。在這個(gè)過(guò)程中，TCE溶劑通?？梢苑祷夭⒅貜?fù)使用，而不需要進(jìn)一步的處理。這是一種用途廣泛且成本低廉的選擇[4]。

4 工藝過(guò)程描述

綜合考慮上述的分析結(jié)論，針對(duì)PE隔板烘箱設(shè)計(jì)了一套可再生活性炭吸附系統(tǒng)，用于回收TCE以及控制排放，見(jiàn)圖3。

圖3 可再生活性炭系統(tǒng)回收TCE及控制排放工藝流程

該流程圖顯示為雙罐吸附系統(tǒng)。在吸附之前，首先對(duì)含TCE溶劑的烘箱制程排氣進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)其溫度、含水量，使其適合吸附。進(jìn)口氣流首先通過(guò)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)在進(jìn)口處產(chǎn)生正壓力，驅(qū)動(dòng)氣體流經(jīng)過(guò)濾器，然后使用冷卻裝置將氣體溫度降低到約45°C。

預(yù)處理后的氣體通過(guò)進(jìn)口閥門(mén)，從其中一個(gè)吸附罐的下方進(jìn)入炭床，然后向上流動(dòng)，通過(guò)活性炭床，TCE被吸附在活性炭上。經(jīng)過(guò)處理的空氣從炭床上方的空間排出，通過(guò)排氣閥到排氣煙囪通往大氣。

一旦吸附罐中的活性炭被TCE飽和，制程排氣將被導(dǎo)入第二個(gè)吸附罐，飽和的吸附罐啟動(dòng)再生程序。

再生循環(huán)包括三個(gè)步驟，即通入蒸汽，干燥和冷卻。

蒸汽通入吸附罐的頂部，從上往下通過(guò)活性炭床，到達(dá)吸附罐的底部。在此過(guò)程中，蒸氣加熱了活性炭，TCE從活性炭中脫附，水蒸氣和TCE蒸氣從蒸汽出口閥，通過(guò)蒸氣管道進(jìn)入冷凝器。在冷凝器中，水和TCE溶劑冷凝并流向潷洗器。由于TCE不溶于水并且相對(duì)密度1.46，在潷洗器中分離成水層和TCE溶劑層。下層的TCE被回收再利用，含有溶解微量TCE的水層可以集中進(jìn)行水處理后排放。

經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的時(shí)間周期后，蒸汽再生過(guò)程完畢，活性炭吸附罐進(jìn)入干燥過(guò)程。干燥的目的是在下一個(gè)吸附循環(huán)之前從活性炭中除去水分，從而提高系統(tǒng)的去除效率。干燥/冷卻風(fēng)機(jī)從環(huán)境中引風(fēng)，通過(guò)過(guò)濾器和加熱器，將空氣加熱到約70℃，將水從活性炭中驅(qū)除，并通過(guò)罐體出口閥門(mén)排氣到煙囪，進(jìn)而排入大氣中。經(jīng)過(guò)一段預(yù)設(shè)的時(shí)間后，關(guān)閉加熱器，風(fēng)機(jī)繼續(xù)引入環(huán)境空氣，吸附罐進(jìn)入冷卻步驟。在設(shè)定的冷卻時(shí)間后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，吸附罐處于閑置狀態(tài)，直到另一個(gè)吸附罐飽和，此時(shí)吸附罐將再次切換進(jìn)入吸附模式。

5 結(jié)語(yǔ)

如工藝過(guò)程所示，設(shè)計(jì)并制造了相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)，包括進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)、 活性炭吸附罐 、蒸汽再生系統(tǒng)、干燥冷卻（預(yù)處理）系統(tǒng)、溶劑分離系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。通過(guò)對(duì)活性炭的選擇，對(duì)制程廢氣溫度、濕度的控制，以及對(duì)活性炭的再生工藝參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)輸出如下：

1）該系統(tǒng)對(duì)于TCE的回收率達(dá)到了98%以上。

2）該系統(tǒng)分離的TCE溶劑，約含有200×10-6水，純度滿(mǎn)足使用要求，可以回用于制程。

3）該系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水，TCE含量在1 000×10-6以下，需要進(jìn)一步處理排放。

4）通過(guò)進(jìn)出口安裝的火焰離子檢測(cè)裝置(FID)，當(dāng)進(jìn)氣TCE濃度8 500~10 000×10-6，出口濃度穩(wěn)定地保持在10×10-6以下。

綜上所述，可再生活性炭吸附是一種高效的TCE回收與排放控制技術(shù)。