柳 龍，席婧茹

（廣州金鵬環(huán)保工程有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

揮發(fā)性有機(jī)污染物(Volatile organic compounds,VOCs)一般定義為室溫下飽和蒸氣壓＞133.32 Pa的有機(jī)物，涉及行業(yè)包括石油、石化、制藥、冶金、印刷、印染等。VOCs的大量排放不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，還影響正常工作生產(chǎn)及生活，VOCs還是臭氧等污染物的前驅(qū)體。烷烴類(lèi)有機(jī)物是其中飽和蒸氣壓較大的一類(lèi)，氣相中烷烴類(lèi)有機(jī)物主要來(lái)源于石油化工行業(yè)，在一定條件下可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生其他污染物，不利于生態(tài)環(huán)境及人體健康，并且烷烴還可導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。

活性炭以其良好機(jī)械強(qiáng)度、獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)，飽和吸附容量大的特點(diǎn)成為最為常見(jiàn)的一種吸附劑，并且可再生循環(huán)使用。利用活性炭吸附脫附過(guò)程的高濃縮比，脫附出的VOCs產(chǎn)物可進(jìn)行后續(xù)再處理，與冷凝回收、直接燃燒、催化燃燒等后處理工藝可以很好的銜接，實(shí)現(xiàn)VOCs廢氣無(wú)害化的全過(guò)程處理。Carvajal-Bernal A M研究了活性炭經(jīng)過(guò)磷酸浸漬改性后，對(duì)正戊烷吸附容量達(dá)到757 mg/g；Khazraei V A認(rèn)為相對(duì)分子量、沸點(diǎn)以及與活性炭形成離子極化率的大小影響活性炭對(duì)不同污染物的吸附容量，顆粒活性炭在相對(duì)濕度40%時(shí)對(duì)正己烷的吸附達(dá)到最大9.45%；Ikuo Ushiki在超臨界CO2條件下（313 K，10 MPa）測(cè)得活性炭對(duì)正己烷吸附量達(dá)到80 mg/g以上，對(duì)正辛烷吸附量達(dá)到140 mg/g以上。徐效梅在活性炭固定床層吸附正戊烷和正己烷，得到精度較高的穿透吸附曲線計(jì)算通式。Ma等人研究了在流化床結(jié)構(gòu)條件下活性炭吸附VOC的情況。而當(dāng)前對(duì)于多層吸附層設(shè)計(jì)顆?；钚蕴繉?duì)烷烴吸附規(guī)律的研究還有待豐富。

通過(guò)研究顆?；钚蕴繉?duì)正丁烷(C4)、正戊烷(C5)、正己烷(C6)、正庚烷(C7)、正辛烷(C8)等小分子直鏈烷烴的吸附效果，探究不同直鏈烷烴污染物對(duì)吸附過(guò)程穿透及去除率的影響，吸附劑對(duì)不同直鏈烷烴的吸附容量，測(cè)試吸附劑床層數(shù)對(duì)吸附過(guò)程的影響。為顆?；钚蕴吭谕闊N廢氣處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供參考，有助于烷烴回收創(chuàng)造額外價(jià)值，減少溫室氣體產(chǎn)生，具有助力節(jié)能減排的雙重意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用多層床層吸附裝置對(duì)小分子直鏈烷烴廢氣進(jìn)行吸附，吸附床層間用法蘭連接，層間設(shè)有電驅(qū)動(dòng)下料機(jī)構(gòu)，便于下料。

烷烴對(duì)顆粒狀活性炭的吸附工藝流程如圖1所示。

圖1 烷烴對(duì)顆粒狀活性炭的吸附工藝流程Fig.1 Process of n-Alkanes adsorption on granular activated carbon

由圖1可得，經(jīng)風(fēng)機(jī)6將預(yù)先混合至預(yù)設(shè)VOC濃度的廢氣導(dǎo)入吸附系統(tǒng)，廢氣穿過(guò)顆粒活性炭床層，完成對(duì)廢氣的凈化。實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)6使用海利漩渦風(fēng)機(jī)(風(fēng)量60 m3/h，全壓15 kPa)為系統(tǒng)動(dòng)力風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)1為WM9290直流變頻風(fēng)機(jī)(量程40 m3/h，全壓13 kPa)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)4為振興不銹鋼轉(zhuǎn)子流量計(jì)(量程6～60 m3/h)，檢測(cè)儀表為便攜式VOC檢測(cè)儀MiniRAE3000(0～5×10-3)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用直徑4 mm煤基質(zhì)顆?；钚蕴孔鳛槲絼渲饕阅軈?shù)見(jiàn)表1。

表1 顆?；钚蕴啃阅軈?shù)Table 1 Properties of granular activated carbon

由表1可得，實(shí)驗(yàn)使用已正丁烷(＞95%)、正戊烷(≥99%)、正己烷(≥99%)、正庚烷(≥98.5%)、正辛烷(≥97%)作為污染物，以煤質(zhì)顆?；钚蕴孔鳛槲絼?，床層吸附劑高度150 mm，廢氣進(jìn)氣濃度10 g/m3，氣體流速0.33 m/s，吸附床層數(shù)5層，通過(guò)監(jiān)控出口烷烴濃度隨時(shí)間的變化情況得到顆?；钚蕴繉?duì)直鏈烷烴的吸附穿透曲線，以分析顆粒活性炭對(duì)直鏈烷烴的吸附特性。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

向各吸附床層裝入高度150 mm的顆?；钚蕴?，打開(kāi)閥門(mén)5，關(guān)閉閥門(mén)7，通過(guò)主風(fēng)機(jī)6負(fù)壓及風(fēng)機(jī)1混合污染物及空氣，調(diào)節(jié)污染氣體濃度至10 g/m3、氣體流量至16 m3/h；完成后，關(guān)閉閥門(mén)5，打開(kāi)號(hào)閥門(mén)7，開(kāi)始吸附實(shí)驗(yàn)，過(guò)程使用便攜式VOC檢測(cè)儀監(jiān)控VOC濃度；每組吸附實(shí)驗(yàn)完成后，更換吸附劑及污染物，可得到顆粒活性炭吸附各烷烴的吸附曲線、吸附容量，以及多層吸附床層工藝條件下各層吸附劑對(duì)污染物的吸附曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆?；钚蕴繉?duì)小分子直鏈烷烴的去除率及吸附量

以小分子直鏈烷烴為污染物，測(cè)試顆?；钚蕴康奈角闆r，實(shí)驗(yàn)以吸附床層出氣口檢測(cè)到VOC氣體為穿透點(diǎn)，以吸附床層出氣濃度/系統(tǒng)進(jìn)氣濃度=90%為層吸附床層飽和點(diǎn)，對(duì)應(yīng)吸附量為床層飽和吸附量。

顆粒活性炭對(duì)直鏈烷烴的去除率如圖2所示。

圖2 顆?；钚蕴繉?duì)直鏈烷烴的去除率Fig.2 Removal rate of n-alkanes on granular activated carbon

顆?；钚蕴繉?duì)直鏈烷烴的吸附量如圖3所示。

圖3 顆粒活性炭對(duì)直鏈烷烴的吸附量Fig.3 Adsorption capacity of n-alkanes on granular activated carbon

由圖2和圖3可得，顆粒活性炭吸附正丁烷的穿透時(shí)間＜5 min，對(duì)正丁烷的吸附量迅速達(dá)到飽和后，保持平穩(wěn)，吸附飽和時(shí)間為13 min，飽和吸附量22 mg/g。以正戊烷作為污染物，顆?；钚蕴课秸焱檫^(guò)程穿透＜5 min，床層吸附飽和時(shí)間為20 min，飽和吸附量63 mg/g，對(duì)比正丁烷，其飽和吸附量已經(jīng)有明顯提升。以正己烷作為污染物，床層穿透時(shí)間為第11 min，在床層顆粒活性炭吸附量達(dá)到飽和后保持相對(duì)平穩(wěn)，吸附飽和時(shí)間為25 min，飽和吸附量85 mg/g，飽和吸附量進(jìn)一步提升。以正庚烷作為污染物，顆?；钚蕴课秸檫^(guò)程，床層穿透時(shí)間為第35 min，對(duì)正庚烷的吸附飽和時(shí)間為50 min，飽和吸附量145 mg/g，對(duì)比正丁烷、正戊烷和正己烷，其飽和吸附量有極大提升，且床層穿透時(shí)間延長(zhǎng)。以正辛烷作為污染物，顆?；钚蕴课秸镣檫^(guò)程，床層穿透時(shí)間為第25 min，吸附飽和時(shí)間為48 min，飽和吸附量145 mg/g，與正庚烷相比，其飽和吸附量不變，但穿透時(shí)間減少。

2.2 顆粒活性炭對(duì)小分子直鏈烷烴吸附特性綜合比較

隨著碳原子數(shù)目增加，顆粒活性炭對(duì)直鏈烷烴的吸附量逐漸增加，從22 mg/g增加到145 mg/g，從C7至C8吸附量無(wú)增長(zhǎng)。從吸附穿透時(shí)間看，從C4到C7穿透時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，從5 min延長(zhǎng)至35 min，但從C7到C8，穿透時(shí)間由35 min減少至25 min。

在直鏈烷烴吸附過(guò)程中，顆粒活性炭對(duì)C7的吸附效果最好，吸附容量最大，穿透時(shí)間最長(zhǎng)，對(duì)C8的吸附效果其次，對(duì)C4的吸附能力最差。綜合吸附量及穿透時(shí)間，顆?；钚蕴繉?duì)直鏈烷烴的吸附能力強(qiáng)弱為C7＞C8＞C6＞C5＞C4。

活性炭吸附直鏈烷烴的吸附容量及穿透時(shí)間如圖4所示。

圖4 活性炭吸附直鏈烷烴的吸附容量及穿透時(shí)間Fig.4 Adsorption capacity and breakthrough time of n-alkanes on granular activated carbon

活性炭吸附性能與污染物液相飽和蒸氣壓、氣體分子極性、分子量、沸點(diǎn)，以及活性炭本身結(jié)構(gòu)特性、活性炭表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。活性炭本身的碳碳鍵為非極性鍵，因此更容易吸附弱極性和非極性的VOCs分子。

小分子直鏈烷烴特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 小分子直鏈烷烴特性參數(shù)Table 2 Properties of short chain n-alkanes

由表2可得，C4-C8等小分子直鏈烷烴分子偶極矩均極小，差異不明顯。

直鏈烷烴的分子特性對(duì)吸附量的影響如圖5所示。

圖5 直鏈烷烴分子特性對(duì)吸附量的影響Fig.5 Influence of properties of short chain n-alkanes on adsorption capacity

由圖5可得，顆粒活性炭吸附小分子直鏈烷烴飽和容量與相對(duì)分子質(zhì)量、沸點(diǎn)以及極化率成正相關(guān)，且線性擬合相關(guān)度較高，擬合優(yōu)度R2均＞0.9，與飽和蒸氣壓則呈負(fù)相關(guān)。

2.3 多層吸附劑對(duì)小分子直鏈烷烴去除的影響

多層吸附床層對(duì)直鏈烷烴逃逸比的影響如圖6所示。

圖6 多層吸附床層對(duì)直鏈烷烴逃逸比的影響Fig.6 Influence of multilayer adsorbent on n-alkanes escape rate

以氣體流向依次標(biāo)記吸附劑床層為第1至第5層，以VOC逃逸比（床層出氣濃度/系統(tǒng)進(jìn)氣濃度）對(duì)吸附時(shí)間作圖，如圖6（a）所示，在多層顆粒活性炭吸附正丁烷過(guò)程中，當(dāng)?shù)?層達(dá)到穿透時(shí)，前1層出口廢氣逃逸比仍處于上升階段，且床層吸附正丁烷未達(dá)到飽和。因此，處理以正丁烷為主的廢氣需要增加吸附床層數(shù)，以便于床層吸附劑更換及補(bǔ)充，滿(mǎn)足氣體排放要求。

如圖6（a），在多層顆?；钚蕴课秸焱椤⒄和檫^(guò)程中，當(dāng)?shù)?層穿透時(shí)，第1層吸附已達(dá)到飽和點(diǎn)，對(duì)比正丁烷，顆?；钚蕴繉?duì)正戊烷、正己烷吸附過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)單層吸附劑吸附容量100%利用。在工程應(yīng)用中吸附床層使用2層設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足吸附劑更換及排放要求，可通過(guò)調(diào)整單層填料高度進(jìn)一步提升系統(tǒng)抗沖擊能力。

如圖6（b）所示，在多層顆?；钚蕴课秸椤⒄镣槲廴練怏w過(guò)程中，當(dāng)?shù)诙哟┩笗r(shí)，前一層吸附床層已達(dá)到飽和。因此，顆?；钚蕴繉?duì)正庚烷以及正辛烷單組分污染氣體吸附過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)單層吸附劑吸附容量的100%利用。

在利用多層吸附濾床工藝處理C4廢氣時(shí)，多層吸附床需設(shè)計(jì)至少3層，處理C5-C8廢氣時(shí)，多層吸附床設(shè)計(jì)2層即可滿(mǎn)足換料頻次，并充分利用活性炭容量。

3 結(jié) 語(yǔ)

顆粒活性炭對(duì)C4-C7直鏈烷烴的吸附量隨碳原子數(shù)目增加而增加，從C7增加到C8時(shí)，吸附量無(wú)變化。在處理小分子直鏈烷烴廢氣時(shí)，可根據(jù)相對(duì)分子量、沸點(diǎn)、分子極化率，以及飽和蒸氣壓判斷顆?；钚蕴康奈饺萘康南鄬?duì)大小。針對(duì)以C5、C6、C7、C8直鏈烷烴為主要廢氣的工況，顆粒活性炭的吸附容量可完全利用，在工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)多層吸附床層結(jié)構(gòu)的吸附工藝可采用2層即可，通過(guò)調(diào)整填料層高度提高抗沖擊負(fù)荷能力，針對(duì)C4為主的廢氣，采用多層設(shè)計(jì)并及時(shí)對(duì)床層吸附劑逐層更換可取得理想的凈化效果。