通过对活性炭和沸石分子筛的表征和动态吸附/脱附实验,探索2类吸附材料固定床工艺用于非连续、非稳定类型的大风量、低浓度挥发性有机物(VOCs)排放控制的应用前景。

一、背景阐述

近年来,挥发性有机化合物(VOCs)的经济有效控制已成为环保工作的热点。大气中VOCs的来源很多,其中工业源包括石油化工、包装印刷、纺织印染、轻工、涂装和精细化工等行业,其生产工艺过程都会排放出大量的VOCs气体。目前很多工艺产生VOCs废气的特点为大风量、低浓度,且很多为间歇性排放,无处理直接排放已无法满足日趋严格的排放标准要求。活性炭吸附、热空气脱附加催化燃烧工艺在早期排放要求不高、处理对象以沸点较低的有机物为主的情景下,在处理净化大风量、低浓度有机气体的场合得到不少应用,但在处理一些沸点较高的有机污染物或为了提高净化效率而将热脱附空气温度提高至120℃以上时,存在较大的安全隐患。近年来,沸石转轮因安全性好而在低浓度、大风量排气场合取得了较多的应用,但从技术经济的角度,沸石转轮更适合于连续排放、浓度相对稳定的有机气体排放的控制。

二、性能试验与比较

实验采用的吸附材料为沸石分子筛和活性炭。沸石分子筛为Honewell所产的HiSiv1000型,属于憎水性;活性炭为煤制柱状(市售),直径为4mm,CTC(四氯化碳吸附值)为61.32%;二甲苯为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。

自建实验装置如图1所示,装置由配气系统、吸附系统、检测系统组成。配气系统由风机、干燥装置、转子流量计、微型注射计量泵、加热器和缓冲室组成,吸附系统由加热恒温设备和固定吸附床组成,检测口设置于吸附系统前后,该实验是以二甲苯为单一检测对象的实验。

活性炭和沸石分子筛处理非稳定排放VOCs气体的性能如何-国投盛世

二甲苯在活性炭和沸石分子筛的吸附过程实验采用此系统。干燥后的洁净空气通过转子流量计按一定比例调节分配后,稀释气体和载有一定浓度的二甲苯气体汇入缓冲室,完全混合后进入加热恒温室,以实验设定浓度、流量和温度的稳定气体进入吸附单元,并在吸附单元前后测定二甲苯浓度。

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沸石分子筛和活性炭的孔径分布如图3所示。可以看出,分子筛主要孔径分布在2.0nm以下,集中表现在0.8nm左右,为典型微孔均一型吸附剂;活性炭则体现了广谱性,微孔较为发达的同时,亦含有一定中孔,孔径集中在1~2nm左右。表1为沸石分子筛和活性炭的孔结构参数表。活性炭的比表面积、孔容均大于沸石分子筛,但沸石分子筛微孔比表面积占总比表面积高达85%。

活性炭和沸石分子筛处理非稳定排放VOCs气体的性能如何-国投盛世

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图4所示为沸石分子筛和活性炭的二甲苯吸附等温线。总体而言,活性炭对二甲苯平衡吸附量高于沸石分子筛,与比表面积和孔容的结果一致。同时,与沸石分子筛相比,活性炭的平衡吸附量随吸附温度和吸附质气相平衡浓度的不同波动较大。当二甲苯浓度为100mg·m-3、温度为30℃时,活性炭对二甲苯的吸附吸附平衡容量可达18%,而在80℃时则仅为6%,仅为30℃时容量的约1/3;而同浓度下沸石分子筛在30℃时的吸附平衡容量约为10%,80℃的吸附平衡容量约为6%,变化不大,说明沸石分子筛孔径小,吸附势高,吸附力强,但不易脱附且容量潜势小。

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表征结果显示,沸石和活性炭均含有丰富的均匀微孔结构,沸石分子筛孔径均匀,活性炭孔径分布较广且总体大于沸石分子筛;对二甲苯而言,沸石分子筛的平衡吸附量总体小于活性炭,沸石分子筛的平衡吸附量随平衡浓度和吸附温度的变化要小于活性炭。