不同吸收液處理甲苯廢氣研究*

崔慶華，張　會(huì)，張興安，石　陽

(濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所， 山東　濱州　256600)

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不同吸收液處理甲苯廢氣研究*

崔慶華，張會(huì)，張興安，石陽

(濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所， 山東濱州256600)

含甲苯廢氣是化工、醫(yī)藥企業(yè)常見的一類有機(jī)廢氣，對(duì)人體及環(huán)境危害嚴(yán)重，是迫切需要解決的一種有機(jī)污染物。本文選擇BDO、DEHA、檸檬酸鈉、干薄荷提取液、鮮薄荷提取液五種吸收劑，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果表明：1,4-丁二醇(BDO)對(duì)甲苯具有較高的吸收效果，薄荷精油僅起到調(diào)節(jié)吸收劑氣味的作用，與美國產(chǎn)品相比較，BDO的吸收效率略高，在吸收甲苯的工程應(yīng)用上，BDO具有處理成本低、效率高、操作簡單等特點(diǎn)。

甲苯廢氣；BDO；DEHA；檸檬酸鈉；干薄荷提取液；鮮薄荷提取液

企業(yè)排放的有機(jī)廢氣中通常含有硫氧化物、氮氧化物以及苯系物等有毒有害氣體，其中，甲苯廢氣是有機(jī)廢氣的重要組成部分[1]。作為一種普遍使用的有機(jī)溶劑，甲苯被廣泛用于化工、制藥、涂裝和皮革膠合等各種生產(chǎn)過程，是產(chǎn)生工業(yè)異味的重要來源。甲苯氣體對(duì)皮膚、粘膜有刺激性，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用，重癥者可有躁動(dòng)、抽搐、昏迷，長期接觸可發(fā)生神經(jīng)衰弱綜合征，肝腫大等嚴(yán)重危害人體健康的疾病，對(duì)空氣、水環(huán)境及水源可造成潛在的污染。甲苯分子化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易降解和不溶于水，給其凈化處理帶來困難。目前，對(duì)于甲苯廢氣的凈化處理，已有活性炭吸附、熱破壞、冷凝、液體吸收等方法，另外，還開發(fā)了生物膜法、電暈法、臭氧分解法、催化燃燒法、等離子體分解法等新型處理技術(shù)[2]。文獻(xiàn)表明液體吸收法具有成本低、操作簡單等優(yōu)勢，可通過廢氣與吸收劑的接觸，使其中的有毒有害成分被吸收劑吸收，然后經(jīng)解析，將甲苯除去或回收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸收劑再生和重復(fù)使用[3-6]。國內(nèi)外學(xué)者從各種途徑尋找處理甲苯的吸收劑，如汽油、洗油、活性機(jī)油、柴油等[7-12]，但這些具表面活性劑成分的吸收劑在一定程度會(huì)引起二次污染，且氣味不佳。國內(nèi)外許多專家從天然植物提取液入手，尋找出一種能高效處理甲苯的提取液。本文對(duì)甲苯氣體進(jìn)行不同吸收液的吸收研究，以此期望能找到一種高效的處理技術(shù)和方法處理有毒的甲苯。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑

甲苯氣體發(fā)生和吸收裝置、pHS-3D酸度計(jì)、島津氣相色譜儀等。

甲苯、薄荷葉、鮮薄荷葉、二乙基羥胺(DEHA)、乙醇、1,4-丁二醇(BDO)、硅膠、檸檬酸鈉、蒸餾水等。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1甲苯氣體制備及吸收

圖1　甲苯氣體發(fā)生和吸收裝置

將甲苯溶液置于沙浴鍋中加熱，至形成穩(wěn)定甲苯-空氣混合氣流，利用氣體采樣器將氣體計(jì)量后輸送至U形管， U形管中盛有4% BDO溶液作為吸收液，裝置見圖1。

1.2.2吸收液中甲苯含量測定

制備甲苯濃度分別為0，100，200，300，400，500 mg/L的甲苯-BDO標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用氣相色譜儀測吸收液甲苯濃度，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。所用注樣體積1 μL；柱箱溫度80 ℃；平衡時(shí)間3 min；檢測器溫度200 ℃，尾吹氣N2/空氣；燃?xì)獠捎肏2，流量為40 mL/min，空氣流量為400 L/min，采用外標(biāo)法定量。

1.2.3薄荷精油及提取液制作

(1)薄荷精油制備

將粉碎好的薄荷粉沫與水按照1:40的比例加入1000 mL蒸餾瓶中，用電爐進(jìn)行加熱，加熱至沸騰，注意待蒸餾瓶內(nèi)沸騰時(shí)應(yīng)調(diào)小溫度，以免沸騰污染薄荷精油，冷凝管水流方向應(yīng)為下進(jìn)上出，防止沸騰水充滿冷凝管而炸裂，制得約10 mL薄荷精油，貯存在冰箱內(nèi)備用。

(2)薄荷提取液制備

利用水提取法提取薄荷葉中的有效成分，即將采集的薄荷葉用高速萬能粉碎機(jī)粉碎，并按一定比例溶于煮沸的30%乙醇溶液中，勻速攪拌15 min左右，攪拌的過程中應(yīng)調(diào)小電路溫度，防止溫度過高而將液體溢出，然后經(jīng)過濾得到約500 mL干薄荷提取液,放入冰箱內(nèi)以備用。

2　實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.1最佳甲苯進(jìn)氣流量的確定

通過控制單一因素法，由于甲苯沸點(diǎn)為110.6 ℃，故使用沙浴鍋對(duì)甲苯進(jìn)行加熱以將甲苯液體轉(zhuǎn)化成氣體，沙浴鍋溫度控制在120 ℃左右，經(jīng)軟導(dǎo)管進(jìn)入大氣采樣器中，以4% BDO為吸收劑，進(jìn)行甲苯氣體的吸收。以大氣采樣器進(jìn)行甲苯吸收實(shí)驗(yàn)，勿需攪拌裝置促進(jìn)甲苯的吸收，通過控制流速就能控制，本實(shí)驗(yàn)控制進(jìn)氣量為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 L/min，然后由液相色譜儀測定出不同進(jìn)氣量的甲苯峰面積，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得甲苯濃度，繪制甲苯進(jìn)氣流量-30 min吸收量曲線，由曲線選擇出BDO吸收液最佳的甲苯進(jìn)氣流量。

2.2最佳吸收時(shí)間的確定

同樣，通過控制單一因素法，在最佳的甲苯進(jìn)氣流量的條件下，以吸收時(shí)間作為變量選擇出最佳的吸收時(shí)間,控制吸收時(shí)間為10、20、30、40、50、80 min，根據(jù)液相色譜圖，在甲苯的保留時(shí)間內(nèi)得出甲苯的峰面積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算得出甲苯含量，由此繪制吸收時(shí)間-吸收量曲線，選擇出最佳的吸收時(shí)間。

2.3吸收劑的篩選

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)確定出最佳的甲苯進(jìn)氣流量、吸收時(shí)間。選擇BDO、DEHA、檸檬酸鈉、干薄荷提取液、鮮薄荷提取液五種吸收劑，以及五種吸收劑分別與薄荷精油按照95:5的比例進(jìn)行配制，另加薄荷精油和美國產(chǎn)品，共12種吸收液。由于BDO、DEHA、檸檬酸鈉都溶于水，所以，可以配置不同濃度的三種吸收劑。

利用文獻(xiàn)提供的最佳吸收液配方，即使用4%的BDO、5%的DEHA、10%的檸檬酸鈉，在帶有打孔橡膠塞的錐形瓶內(nèi)加入100 mL甲苯溶液放入沙浴槽內(nèi)，橡膠塞上有兩路玻璃導(dǎo)管，一路用于甲苯氣體經(jīng)軟皮導(dǎo)管進(jìn)入大氣采樣器；一路用于緩解錐形瓶內(nèi)壓力變化，以防由于氣壓變化問題而引起吸收液倒吸。由于甲苯的沸點(diǎn)為110.6 ℃，故沙浴槽內(nèi)溫度控制在120 ℃左右，經(jīng)軟皮導(dǎo)管進(jìn)入大氣采樣器里，進(jìn)行吸收液的甲苯吸收實(shí)驗(yàn)。

以上12種吸收液在最佳的吸收條件下同上實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行甲苯的吸收，然后，經(jīng)液相色譜儀測定各吸收液的色譜圖，根據(jù)甲苯的峰面積以及標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算得出甲苯含量并記錄數(shù)據(jù)。

2.4最佳吸收液濃度優(yōu)化

選擇DEHA溶劑作為配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，其濃度為2%、5%、10%、20%、30%、40%、50%，同樣，在最佳的吸收條件下同上實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行甲苯的吸收實(shí)驗(yàn)，而后經(jīng)液相色譜儀測定各濃度下的色譜圖，根據(jù)甲苯的峰面積和標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算出各濃度下的DEHA對(duì)甲苯的吸收量，記錄數(shù)據(jù)。繪制濃度-吸收量曲線，經(jīng)比較選擇出最佳處理甲苯氣體的DEHA吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.5吸收劑與薄荷精油配比篩選

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟選擇出吸收甲苯效率較好的吸收劑，吸收劑與薄荷精油按照99:1、98:2、97:3、96:4、95:5、94:6、93:7的比例配制混合液，然后依次經(jīng)液相色譜儀測定在甲苯的保留時(shí)間處出峰的峰面積，記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)峰面積和標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算得出混合吸收液中甲苯的含量，繪制百分比-吸收量曲線，確定最佳的吸收劑與薄荷精油的混合配比。通過峰面積以及標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算出各吸收劑和植物提取液中甲苯的含量，繪制曲線和表格選擇出最優(yōu)的吸收劑和吸收液配比。

3　結(jié)果與分析

3.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

3.1.1甲苯保留時(shí)間的確定

按照上述實(shí)驗(yàn)方法確定甲苯的保留時(shí)間，0 mg/L、10 mg/L濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)液相色譜儀測定的色譜圖如圖2、圖3所示，故由此確定甲苯的保留時(shí)間為6.682 min。

圖2　0 mg/L濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖

圖3　10 mg/L濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖

3.1.2標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，經(jīng)液相色譜儀測出甲苯的保留時(shí)間為6.682 min，然后按照實(shí)驗(yàn)步驟配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)液相色譜儀測定標(biāo)準(zhǔn)溶液中甲苯的峰面積，記錄數(shù)據(jù)見表1，繪制濃度-峰面積的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，y=1240.2x。

表1　標(biāo)準(zhǔn)溶液中甲苯濃度

圖4　標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.2最佳條件的選擇

3.2.1最佳甲苯進(jìn)氣流量的選擇

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟利用液相色譜儀測定甲苯在6.682 min左右出峰的物質(zhì)即為甲苯，選擇4%BDO吸收劑，經(jīng)液相色譜儀測定，在254 nm波長下微積分得出甲苯出峰的峰面積，以甲苯進(jìn)氣流量為0.3 L/min為例，其色譜圖見圖5、圖6，根據(jù)甲苯峰面積以及標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，計(jì)算得出BDO中甲苯含量，其數(shù)據(jù)記錄如表2。

表2　不同甲苯進(jìn)氣流的吸收情況

圖5　甲苯進(jìn)氣流量為0.3 L/min的色譜圖

圖6　甲苯進(jìn)氣流量-30 mim吸收量曲線

根據(jù)甲苯進(jìn)氣流量-30 mim吸收量曲線得出最佳的甲苯進(jìn)氣流量為0.2 L/min。

3.2.2最佳吸收時(shí)間的選擇

控制甲苯進(jìn)氣流量為0.2 L/min，設(shè)計(jì)不同的吸收時(shí)間，其數(shù)據(jù)記錄如下表3。

表3　吸收劑吸收時(shí)間表

由表3可知，當(dāng)吸收時(shí)間為30 min時(shí)，吸收量最好。根據(jù)液相色譜儀測出的甲苯含量，繪制吸收時(shí)間-吸收量的曲線如圖7和圖8所示。

圖7　吸收時(shí)間為30 min的色譜圖

圖8　吸收時(shí)間-吸收量曲線

由吸收時(shí)間-吸收量曲線得出最佳的吸收劑吸收時(shí)間為30 min，由以上兩實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出最佳的甲苯吸收條件為：甲苯進(jìn)氣流量為0.2 mL/min，吸收劑吸收時(shí)間為30 min。

3.3吸收劑的篩選

3.3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在最佳吸收條件下按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行下列吸收液吸收甲苯實(shí)驗(yàn)，然后，經(jīng)液相色譜儀測定甲苯的峰面積并由標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算得出甲苯濃度，記錄數(shù)據(jù)見表4。

表4　吸收劑篩選表

由表4得出4%濃度的BDO對(duì)甲苯具有較好的吸收效果，同樣，BDO與薄荷精油的混合溶液對(duì)甲苯具有較好的吸收效果。而且BDO的吸收效果要優(yōu)于美國市售產(chǎn)品，美國市場商品的色譜圖見圖9。

圖9　美國市場商品的色譜圖

3.3.2吸收液參數(shù)優(yōu)化

由于現(xiàn)有文獻(xiàn)已有采用4% BDO作為吸收液的研究，故在此不再進(jìn)行吸收液濃度優(yōu)化，為此選擇吸收效果次之的DEHA進(jìn)行濃度優(yōu)化。

選擇DEHA溶劑作為配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟同上，數(shù)據(jù)見表5，其色譜圖見圖10，濃度-吸收量曲線見圖11。

表5　DEHA吸收液參數(shù)優(yōu)化表

續(xù)表5

10%0.2102711921.866620%0.2102072716.712630%0.2101493112.024640%0.210110938.944550%0.210100428.0971

圖10　5%DEHA吸收劑的色譜圖

圖11　DEHA吸收液濃度-吸收量曲線

經(jīng)比較得出DEHA最佳處理甲苯氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

3.3.3吸收劑與薄荷精油配比的篩選

同以上實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇最佳的BDO與薄荷精油的配比，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6，根據(jù)表格數(shù)據(jù)繪制BDO與薄荷精油的百分比-吸收量曲線見圖12。

表6　吸收劑與薄荷精油配比篩選表

圖12　BDO與薄荷精油的百分比-吸收量曲線

由BDO與薄荷精油的百分比-吸收量曲線知，薄荷精油是起到調(diào)節(jié)吸收劑氣味的作用，起不到促進(jìn)吸收劑吸收甲苯的作用。

3.4吸收廢液的處置

如前所述，4%的BDO對(duì)甲苯具有最大的吸收效果，其次為市售國外進(jìn)口吸收劑。BDO是一種重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，可看作生物柴油的一種，也可由生物基物質(zhì)發(fā)酵制得，被廣泛的用于醫(yī)藥、化工、紡織、造紙、汽車和日用化工等領(lǐng)域。其物理特性為：無色油狀液體，可燃，能溶于水、甲醇、乙醇、丙酮，微溶于乙醚，沸點(diǎn)228 ℃，熔點(diǎn)20.2 ℃，相對(duì)密度1.0171，折射率1.446，閃點(diǎn)(開杯)121 ℃，使用安全。選用BDO作為吸收劑還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是與甲苯易于分離。飽和后的吸收液主要含有BDO、甲苯和水，甲苯的沸點(diǎn)為110.6 ℃，其與水的共沸點(diǎn)是84.1 ℃，而BDO的沸點(diǎn)為228 ℃，因此，通過共沸蒸餾操作可使甲苯與吸收液進(jìn)行解吸分離并回收甲苯，同時(shí)，吸收液經(jīng)冷卻、補(bǔ)充水后可實(shí)現(xiàn)再生。

但蒸餾回收的經(jīng)濟(jì)性決定于吸收液甲苯濃度，若濃度較低，則甲苯回收的可行性較低，為此，也可采用將吸收廢液排放到廠區(qū)廢水處理設(shè)施，或采用其他高級(jí)氧化方法處理。

4　結(jié)　論

通過以上的控制單一因素實(shí)驗(yàn)分析和比較，可以確定五種吸收劑最佳的甲苯吸收時(shí)間、甲苯進(jìn)氣流量等最佳吸收條件，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于BDO模擬吸收甲苯實(shí)驗(yàn)：以吸收量為指標(biāo)，最佳吸收條件為：甲苯進(jìn)氣流量為0.2 mg/L，甲苯吸收時(shí)間為30 min,吸收溫度為10 ℃，由于使有使用大氣采樣器，故勿需使用攪拌裝置。

(2)對(duì)于五種吸收劑的吸收實(shí)驗(yàn)：在BDO模擬吸收甲苯實(shí)驗(yàn)中確定的最佳吸收條件下，五種吸收劑進(jìn)行甲苯吸收實(shí)驗(yàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)顯示，吸收甲苯效率較高的是BDO，能吸收約44 mg/L。

(3)對(duì)于五種吸收劑與薄荷精油的混合溶液:在BDO模擬吸收甲苯實(shí)驗(yàn)中確定的最佳吸收條件下,吸收劑與薄荷精油按95:5的比例進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)顯示，BDO與薄荷精油的混合液對(duì)甲苯具有較高的吸收效率，約33.4 mg/L。

(4)對(duì)于BDO與薄荷精油的混合液：在BDO模擬吸收甲苯實(shí)驗(yàn)中確定的最佳吸收條件下，BDO與薄荷精油按照不同的配比進(jìn)行混合吸收，結(jié)果表明，薄荷精油起到調(diào)節(jié)吸收劑氣味的作用，并沒有起到促進(jìn)BDO吸收甲苯。

由以上數(shù)據(jù)顯示，1,4-丁二醇(BDO)對(duì)甲苯具有較高的吸收效果，薄荷精油僅起到調(diào)節(jié)吸收劑氣味的作用，與美國產(chǎn)品相比較，BDO的吸收效率略高，在吸收甲苯的工程應(yīng)用上，BDO具有處理成本低、效率高、操作簡單等特點(diǎn)。

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Study on Treatment of Toluene Waste Gas by Different Absorption Liquid*

CUIQing-hua,ZHANGHui,ZHANGXing-an，SHIYan

(Institute of Environmental Protection Science & Technology of Binzhou, Shandong Binzhou 256600, China)

Toluene waste gas is a kind of common organic waste gas of chemical and pharmaceutical enterprises that should be treated urgently, which has serious injury on environment and human health. BDO, DEHA, sodium citrate, dry mint extract and fresh mint extract were chosen as the absorbent, and its optimized experimental conditions and treatment effect were also discussed. The orthogonal test result showed that 1,4-(BDO) had a high absorption effect on toluene, the essential oil of mint was to adjust the smell of the absorbent. Compared with the United States, the absorption efficiency of BDO was slightly higher. In the engineering application of absorption of toluene,BDO had the characteristics of low cost, high efficiency, simple operation, and so on.

toluene waste gas; BDO; DEHA; sodium citrate; dry mint extract; fresh mint extract

濱州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012ZC1201)。

崔慶華(1981-)，男，工程師，從事環(huán)境污染治理研究。

X511

A

1001-9677(2016)03-0072-05