廢氣中醋酸丁酯回收技術(shù)分析

張堅(jiān) (中山市保美環(huán)境科技開發(fā)有限公司，廣東 中山 528400)

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是廢氣中常見的物質(zhì)，同時(shí)也是催生細(xì)微顆粒物等大氣中二次污染物的原料，在大量的工業(yè)廢氣中，如果沒有做好關(guān)于揮發(fā)性有機(jī)物的控制，可能導(dǎo)致光化學(xué)煙霧、PM2.5值異常、灰霾等各種大氣污染問題。針對(duì)此類問題，國家相繼出臺(tái)了諸如《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范》(系列)、《污染源源強(qiáng)核算技術(shù)指南》(系列)、《排污單位自行監(jiān)測技術(shù)指南》(系列) 等標(biāo)準(zhǔn)，用以防范各個(gè)行業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中的排放問題，并且根據(jù)相關(guān)法律頒布了《揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)污染防治技術(shù)政策》。而醋酸丁酯作為揮發(fā)性有機(jī)物中的代表，成為重點(diǎn)防治對(duì)象。

1 醋酸丁酯的特性

醋酸丁酯 (乙酸丁酯、醋酸正丁酯、乙酸正丁酯)，化學(xué)式為CH3COO(CH2)3CH3，帶有果香味，且無色透明，沸點(diǎn)126.5 ℃，凝點(diǎn) -77.9 ℃，密度 0.882 5 g/cm3，閃點(diǎn) 22 ℃，沸點(diǎn)126.5 ℃，燃點(diǎn) 421 ℃，溶解度參數(shù) δ= 8.5，比重 0.872 ～ 0.885，該物質(zhì)不易水解，可以微量溶于水，易溶于油脂類、醇類等有機(jī)溶劑，天然存儲(chǔ)于香蕉、蘋果、葡萄等水果中[1]。低濃度的醋酸丁酯的毒害性較小，對(duì)眼部鼻部會(huì)有較強(qiáng)的刺激性，濃度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體麻醉。醋酸丁酯屬于VOCs中的一種，并且作為一種有機(jī)溶劑被廣泛使用，能夠?qū)μ烊粯淠z、氯化橡膠、聚苯乙烯、乙基纖維素等有良好的溶解效果，同時(shí)也是一種可食用的香料，收錄于食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)許使用名單中，常被用作水果型香精。此外，醋酸丁酯還被用作鎢、鉈、錫等金屬的檢測。由于醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)大量使用醋酸丁酯，且醋酸丁酯本身揮發(fā)性較強(qiáng)，導(dǎo)致工業(yè)廢氣中的含量較高。

含醋酸丁酯的廢氣如果不經(jīng)過及時(shí)處理，直接排入空氣中會(huì)產(chǎn)生較大為危害。一是危害公眾健康，接觸醋酸丁酯者會(huì)引發(fā)發(fā)膚干燥，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、眼疾和呼吸道疾病等；二是爆炸危害，醋酸丁酯的閃點(diǎn)較低，在空氣中暴露后達(dá)到一定濃度可能引發(fā)爆炸，且與醇、酮、醚等物質(zhì)融合后容易引燃，尤其是在廠區(qū)、生產(chǎn)車間等相對(duì)密閉的空間內(nèi)，危險(xiǎn)性極大。廢氣中包含了大量的VOCs類物質(zhì)，多數(shù)具備相近的屬性，且擁有較高的回收和再利用價(jià)值，醋酸丁酯作為VOCs類物質(zhì)的一種，需要進(jìn)行有效回收。

2 醋酸丁酯的回收技術(shù)類型

醋酸丁酯的回收技術(shù)基于有機(jī)氣體回收技術(shù)而成，主要包含了以下幾種基本技術(shù)類型：(1)吸附法。該方法使用簡便且實(shí)用價(jià)值最高，同時(shí)使用最為廣泛。選擇活性炭、吸附樹脂、硅膠等作為吸附劑，利用多孔吸附固體，將區(qū)域內(nèi)廢氣中的醋酸丁酯或同類物質(zhì)集聚與吸附固體表面，實(shí)現(xiàn)廢氣中的物質(zhì)分離，當(dāng)固體吸附達(dá)到上限 (飽和) 時(shí)，則需要將固體表面的被吸附物清除，吸附固體可再次使用。目前使用最多的吸附劑為活性炭，有研究表明該吸附劑對(duì)VOCs類物質(zhì)的吸附效果能達(dá)到95%。(2)冷凝法。冷凝回收法一般用于高濃度有機(jī)溶劑的回收，通過交換對(duì)廢氣進(jìn)行降溫，當(dāng)廢氣中的有機(jī)溶劑達(dá)到冷凝點(diǎn)成為液態(tài)對(duì)其進(jìn)行回收。(3)吸收法。VOCs類物質(zhì)在不同吸收劑中的溶解度和性質(zhì)存在差異，可以選擇物理吸收和化學(xué)吸收方式進(jìn)行回收，而物理吸收法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多，使用吸收塔 (吸收設(shè)備) 對(duì)廢氣進(jìn)行過濾吸收，廢氣在經(jīng)過吸收設(shè)備時(shí)，氣體中的VOCs與吸收液持續(xù)接觸而被大量吸收，并使用拉西環(huán)、弧鞍環(huán)、鮑爾環(huán)等填料置于吸收塔底部輔助。

3 醋酸丁酯回收技術(shù)的運(yùn)用實(shí)踐

某印刷公司設(shè)有4條凹面印刷機(jī)生產(chǎn)線和2條復(fù)合線，印刷機(jī)使用的都為油性油墨，印刷后在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，烘箱溫度在50～70 ℃，生產(chǎn)時(shí)有機(jī)溶劑幾乎全部揮發(fā)出來，廠方原已設(shè)有廢氣收集處理系統(tǒng)，收集后的廢氣排至樓頂活性炭吸附箱處理后排放。

3.1 基本工藝

如圖1所示，印刷機(jī)和復(fù)合機(jī)所產(chǎn)生的廢氣通過抽風(fēng)機(jī)排至廠方頂部，之后通過接駁的集氣管道進(jìn)入到廢氣處理系統(tǒng)中的噴淋降溫箱中，降溫后的廢氣再進(jìn)入到UV光觸媒凈化器+活性炭吸附床中處理。處理后的廢氣在引風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)行高空排放。UV光觸媒有機(jī)廢氣凈化器由UV燈組+ TiO2催化劑組合一起分解廢氣中的有機(jī)物，其原理如下：應(yīng)用于工業(yè)的紫外線波長154～254 nm，波長越短能量越大，254 nm以下波長的紫外線能夠裂解O2，產(chǎn)生O3，大于254 nm波長基本不能裂解O2。UV紫外線光束分解空氣中的氧分子產(chǎn)生游離氧，因游離氧所攜正負(fù)電子不平衡所以需與氧分子結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生臭氧。正負(fù)離子或帶負(fù)電荷，或帶正電荷，在TiO2光催化劑作用下，生成自由羥基，自由羥基具有極強(qiáng)氧化性，將廢氣中的有機(jī)物降解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如：CO2、H2O等[2]。活性炭吸附裝置區(qū)：采用吸附率高、吸附能力強(qiáng)的活性炭纖維結(jié)構(gòu)層。活性炭纖維相對(duì)于活性炭顆粒具由更多的空隙和更大的比表面積，能在更短的時(shí)間內(nèi)吸附廢氣中的有機(jī)物。有機(jī)廢氣在通過UV光觸媒凈化器后，其中殘留的有機(jī)物在通過活性炭纖維層時(shí)瞬間被吸附出去，使有害廢氣經(jīng)多級(jí)凈化后最終達(dá)標(biāo)排放。其UV光觸媒凈化器中的游離活性氧和OH自由基也進(jìn)入到活性炭吸附床區(qū)，進(jìn)入到活性炭中，可以進(jìn)一步去除活性炭吸附的有機(jī)物，提升活性炭吸附周期。

圖1 印刷機(jī)和復(fù)合線廢氣處理工藝流程圖

3.2 回收工藝

考慮到印刷廠實(shí)際情況，需要加強(qiáng)VOCs類物質(zhì)進(jìn)行回收處理或回收利用，需要對(duì)基本工藝進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，擬增設(shè)和改用吸收塔/解吸塔進(jìn)行VOCs類物質(zhì)回收，提高回收效率?；厥展に嚵鞒虉D如圖2所示。

圖2 回收工藝流程圖

吸收劑的選擇應(yīng)當(dāng)從溶解度、揮發(fā)度、粘度、安全性、針對(duì)性等方面綜合考慮，既要經(jīng)濟(jì)有效又要快速安全。選擇吸收劑的基本原則為：能夠?qū)Υ姿岫□ビ休^強(qiáng)的溶解性，能夠快速溶解但對(duì)醋酸丁酯之外的其他物質(zhì)的溶解性又較低，可以精準(zhǔn)分解和吸收醋酸丁酯，作為液體吸收劑的揮發(fā)性應(yīng)當(dāng)較小，且能夠在壓力、溫度等作用下快速與醋酸丁酯分離，溶劑還需要相對(duì)穩(wěn)定，無毒副作用，這樣才能保障醋酸丁酯回收時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和溶劑的再生能力。根據(jù)本原則擬在正戊醇、乙二醇、正丙醇、油酸甲酯、乙酸苯酯、乙酸正辛酯中選定吸收溶劑，經(jīng)氣體溶解度計(jì)算后得出結(jié)論，如表1所示。

表1 各種溶劑中醋酸丁酯的溶解值測定

從測定結(jié)果可見，單位量乙二醇溶解醋酸丁酯的效果最佳，因此確定使用乙二醇為吸收溶劑。

使用吸收塔設(shè)備作為主要吸收裝置，板式塔設(shè)備氣體從塔底部進(jìn)入，經(jīng)內(nèi)置小孔緩慢上升，在塔頂部逐漸注入溶劑，使塔內(nèi)氣體與溶劑充分接觸，填料塔設(shè)備的工作原理基本相同[3]。吸收劑的用量過大會(huì)造成單位內(nèi)吸收劑中的醋酸丁酯含量過低，浪費(fèi)吸收劑增加解吸難度，用量過小則不能完成吸收要求，綜合考慮和經(jīng)試驗(yàn)之后，確定所用吸收劑用量為單位內(nèi)基礎(chǔ)用量的1.2～1.8倍，流率控制在53～98 kmol/h，吸收塔塔板數(shù)量控制在13～16，溫度控制為避免成本增加，采用室溫。

使用解吸塔對(duì)醋酸丁酯和吸收劑乙二醇進(jìn)行分別回收，為了得到較高純度的溶質(zhì)溶液，采用精餾解吸法回收溶質(zhì)溶液。精餾過程是以熱能為媒介，利用混合物中不同組分之間揮發(fā)度的差異性使得輕組分在塔頂富集重組分在塔釜富集的過程。在精餾過程中，料液自精餾塔的中部適當(dāng)位置進(jìn)入精餾塔，塔頂設(shè)有冷凝器，可以將塔頂蒸氣冷凝為液體，一部分回流，一部分作為塔頂產(chǎn)品搜集。對(duì)解吸過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得到操作參數(shù)：乙二醇解吸塔塔板數(shù)為5，進(jìn)料位置為第3塊板，回流比2.8，醋酸丁酯解吸塔板數(shù)11，進(jìn)料位置為第4塊板，回流比3。

4 結(jié)語

對(duì)于廢氣中醋酸丁酯的回收，目前已經(jīng)有了相對(duì)成型的技術(shù)，且隨著時(shí)間的推移，通過在歷次實(shí)踐中的總結(jié)，還能夠更加成熟。在回收過程中，最終效果與系統(tǒng)建設(shè)、所使用的相關(guān)技術(shù)水平、材料、技術(shù)種類、操作人員水平等有直接關(guān)系，在新時(shí)期技術(shù)和理念的支持下，依靠先進(jìn)設(shè)備輔助完成中間流程，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化回收處理將會(huì)是未來發(fā)展方向。