通過對活性炭和沸石分子篩的表征和動態(tài)吸附/脫附實驗,探索2類吸附材料固定床工藝用于非連續(xù)、非穩(wěn)定類型的大風量、低濃度揮發(fā)性有機物(VOCs)排放控制的應用前景。結果表明:沸石分子篩孔徑分布較為集中,約在0.8nm,比表面積為393.76m~2˙g~(-1);活性炭孔徑分布具有廣譜性,微孔集中在1~2nm之間,比表面積為1026.71m~2˙g~(-1)?；钚蕴繉Χ妆降钠胶馕搅靠傮w高于沸石分子篩,其平衡吸附容量隨氣相平衡濃度和溫度的波動要大于沸石分子篩。動態(tài)吸附穿透實驗結果顯示沸石分子篩單位傳質(zhì)區(qū)長度的平均傳質(zhì)速率是活性炭的約1.42~1.66倍。相同吸附和脫附溫度條件下,活性炭的工作容量要大于沸石分子篩。沸石分子篩在210℃時基本脫附徹底,且可得到48倍以上的濃縮脫附氣體。50次的吸附、脫附重復實驗對沸石分子篩的性能影響不大。沸石分子篩作為吸附材料脫附單位質(zhì)量的二甲苯所需能耗是活性炭的2.9~4.2倍?；钚蕴亢头惺肿雍Y可采用不同的工藝方式應用于低濃度、大風量、非穩(wěn)定排放的VOCs氣體的凈化。

近年來,揮發(fā)性有機化合物(VOCs)的經(jīng)濟有效控制已成為環(huán)保工作的熱點[1-3]。大氣中VOCs的來源很多,其中工業(yè)源包括石油化工、包裝印刷、紡織印染、輕工、涂裝和精細化工等行業(yè),其生產(chǎn)工藝過程都會排放出大量的VOCs氣體[4-6]。目前很多工藝產(chǎn)生VOCs廢氣的特點為大風量、低濃度,且很多為間歇性排放,無處理直接排放已無法滿足日趨嚴格的排放標準要求。活性炭吸附、熱空氣脫附加催化燃燒工藝在早期排放要求不高、處理對象以沸點較低的有機物為主的情景下,在處理凈化大風量、低濃度有機氣體的場合得到不少應用[7],但在處理一些沸點較高的有機污染物或為了提高凈化效率而將熱脫附空氣溫度提高至120℃以上時,存在較大的安全隱患。近年來,沸石轉輪因安全性好而在低濃度、大風量排氣場合取得了較多的應用[8-11],但從技術經(jīng)濟的角度,沸石轉輪更適合于連續(xù)排放、濃度相對穩(wěn)定的有機氣體排放的控制。

相對于轉輪類工藝,固定床吸附對于間隙排放,且污染物濃度波動較大的排氣,其穩(wěn)定達標性更好。本研究以二甲苯為實驗對象,通過顆?；钚蕴亢皖w粒沸石分子篩對低濃度有機氣體的吸附/脫附性能實驗,結合吸附劑的表征結果,討論比較2類吸附劑的特點,探索2類吸附劑組成的固定床應用于非連續(xù),非穩(wěn)定類型的大風量、低濃度有機物污染氣體的凈化前景。

1材料與方法

1.1實驗材料

實驗采用的吸附材料為沸石分子篩和活性炭。沸石分子篩為Honewell所產(chǎn)的HiSiv1000型,屬于憎水性;活性炭為煤制柱狀(市售),直徑為4mm,CTC(四氯化碳吸附值)為61.32%;二甲苯為分析純(國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2吸附劑表征

活性炭和沸石分子篩的氮氣吸附/脫附曲線、比表面積、孔徑分布和孔容由ASAP2020C型吸附儀測定(Micromeritics,USA)。吸附材料的比表面積采用BET法計算,微孔的比表面積采用T-Plot方程[12]計算,微孔孔容采用Horvath-Kawazoe方程[13-14]計算。

1.3動態(tài)實驗流程及裝置

1.3.1吸附裝置和檢測方法

自建實驗裝置如圖1所示,裝置由配氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)組成。配氣系統(tǒng)由風機、干燥裝置、轉子流量計、微型注射計量泵、加熱器和緩沖室組成,吸附系統(tǒng)由加熱恒溫設備和固定吸附床組成,檢測口設置于吸附系統(tǒng)前后,該實驗是以二甲苯為單一檢測對象的實驗,采用ppb級RAE3000分析儀(華瑞公司,USA)作為測定設備。所用分析儀測定繪制的二甲苯標準曲線R2均在0.99以上。

二甲苯在活性炭和沸石分子篩的吸附過程實驗采用此系統(tǒng)。干燥后的潔凈空氣通過轉子流量計按一定比例調(diào)節(jié)分配后,稀釋氣體和載有一定濃度的二甲苯氣體匯入緩沖室,完全混合后進入加熱恒溫室,以實驗設定濃度、流量和溫度的穩(wěn)定氣體進入吸附單元,并在吸附單元前后測定二甲苯濃度。二甲苯吸附過程研究裝置與吸附等溫線實驗裝置相同,吸附劑裝填高度為10cm。

1.3.2脫附實驗裝置

脫附實驗裝置流程如圖2所示。吸附劑裝填高度為10cm。利用不同流量的高溫潔凈空氣對吸附后的吸附單元在不同溫度下進行吹脫,并在系統(tǒng)排氣端設置二甲苯采樣檢測裝置。

1.3.3吸附等溫線測定

二甲苯在吸附單元上的吸附等溫線采用動態(tài)吸附法測定,并輔以重量法驗證。即對吸附材料持續(xù)通入設定濃度的二甲苯氣體,并對吸附系統(tǒng)前后進行二甲苯濃度檢測,當出口濃度達到進口濃度時,通過濃度曲線積分得到該工況下吸附材料對二甲苯吸附量,同時對比前后吸附材料的重量差值進行復核校驗。

沸石分子篩和活性炭的孔徑分布如圖3所示?？梢钥闯?分子篩主要孔徑分布在2.0nm以下,集中表現(xiàn)在0.8nm左右,為典型微孔均一型吸附劑;活性炭則體現(xiàn)了廣譜性,微孔較為發(fā)達的同時,亦含有一定中孔,孔徑集中在1~2nm左右。表1為沸石分子篩和活性炭的孔結構參數(shù)表?；钚蕴康谋缺砻娣e、孔容均大于沸石分子篩,但沸石分子篩微孔比表面積占總比表面積高達85%。

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