干粉吸附劑洗消苯乙烯蒸氣試驗研究

張　統(tǒng)，王守中，邵高聳，張博宇，馮海生，董春宏，李　玉

(1.總裝備部工程設計研究總院，北京　100028； 2.武警學院，河北 廊坊　065000)

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干粉吸附劑洗消苯乙烯蒸氣試驗研究

張統(tǒng)1，王守中1，邵高聳2，張博宇2，馮海生2，董春宏1，李玉2

(1.總裝備部工程設計研究總院，北京100028； 2.武警學院，河北 廊坊065000)

試驗探索了活性炭、海泡石、硅藻土、膨潤土、活性氧化鋁和高疏水性樹脂等6種常見干粉吸附劑對苯乙烯蒸氣的洗消性能。其中活性炭可以在6 min內將苯乙烯蒸氣濃度降至448.1 ppm，洗消率達到89.0%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1；活性炭和活性氧化鋁以4︰1復配后能在7 min內將苯乙烯蒸氣濃度降至433.1 ppm，洗消率達到90.4%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1。活性炭及活性炭復配活性氧化鋁對苯乙烯蒸氣有明顯的洗消效果，可以在苯乙烯泄漏事故現(xiàn)場處置中發(fā)揮巨大作用。

活性炭；活性氧化鋁；洗消；苯乙烯

0　引言

苯乙烯屬于苯類化合物，作為一種重要的化工原料，其廣泛應用于合成塑料、樹脂、橡膠及復合材料等化學工業(yè)，且苯乙烯易燃、有毒，是典型揮發(fā)性有機物(VOCs)氣體之一，其蒸氣可被呼吸道、皮膚及消化道吸收，對人體心臟、肝臟、神經系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)有慢性毒害作用[1]。我國《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)規(guī)定苯乙烯排放的一級標準濃度為3.0 mg·m-3，即714.29 ppm；《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》(TJ 36—79)規(guī)定生產車間苯乙烯最高容許濃度為40 mg·m-3。2001年4月17日，韓國“大勇”號船在長江口水域與一貨船碰撞，造成所載638 t苯乙烯泄漏入海，造成海域嚴重污染。2010年10月28日，陜西略陽發(fā)生苯乙烯槽罐車側翻，造成大量苯乙烯泄漏，污染了附近的樂素河。目前，苯乙烯蒸氣有毒、揮發(fā)、易燃、易爆的性質對苯乙烯泄漏事故的處置造成很大困擾，尤其是封閉或半封閉空間的苯乙烯泄漏事故，存在空氣不流通、苯乙烯氣體濃度積累、易形成易燃易爆場所等缺陷，限制了苯乙烯蒸氣的現(xiàn)場洗消，而探索高效的苯乙烯蒸氣洗消劑顯得尤為重要。

目前，活性炭、硅藻土廣泛用于室內裝修時吸附甲醛、凈化空氣。楊斌彬[2]使用海泡石在12%濃度的鹽酸溶液處理10.5 h，對苯乙烯靜態(tài)吸附達到111 mg·g-1，在180 ℃環(huán)境處理3 h后對苯乙烯靜態(tài)吸附達到132 mg·g-1。任愛玲等[3]在0.15 mol·L-1濃度的硫酸銅溶液浸漬處理污泥活性炭后，苯乙烯的靜態(tài)吸附量達到211.4 mg·g-1，在0.20 mol·L-1濃度的硫酸鋁溶液中浸漬后，苯乙烯的靜態(tài)吸附量達到178.8 mg·g-1。但目前未見文獻有對苯乙烯蒸氣吸附研究的報道，本試驗根據活性炭等內部結構和表面功能團的吸附能力，研究了活性炭、硅藻土等對苯乙烯蒸氣的洗消性能。

1　試驗

1.1試驗材料

苯乙烯：分析純，天津市天力化學試劑有限公司；海泡石：河北省石家莊石粉廠；硅藻土：河南鄭州金豐凈水濾材廠；膨潤土：天津市大茂化學試劑廠；活性氧化鋁：河南鄭州龍鑫凈水濾材廠；活性炭：浙江省江山市江山綠意竹炭有限公司；高疏水性樹脂：河北省靈壽縣潤靈礦產品貿易有限公司。

1.2試驗裝置

本文自制了試驗裝置如圖1，裝置主要由三部分組成：試驗箱體、苯乙烯氣體檢測儀、干粉罐。其中試驗箱體體積70 cm×70 cm×80 cm，一側可開啟，關閉時密封良好；苯乙烯氣體檢測儀為CEM200型多氣體應急檢測儀，由北京泰華恒越科技發(fā)展有限責任公司生產，量程0～13 000 ppm；干粉罐標準壓力8 bar，體積6 L。

圖1　試驗裝置

圖2為試驗裝置示意圖，其中苯乙烯氣體檢測儀通過進氣管和出氣管與試驗箱體形成回路，使苯乙烯蒸氣在氣體檢測儀和試驗箱體之間循環(huán)。干粉罐通過進粉管與箱體上方連接，試驗時從箱體上方噴出進行洗消。

1.苯乙烯氣體檢測儀；2.進氣管；3.出氣管；4.試驗

1.3試驗步驟

試驗步驟為：(1)干粉罐加粉后充壓至8 bar，載液盤內盛裝一定量沸水，并在沸水表面滴加20 mL苯乙烯，使苯乙烯加速蒸發(fā)。(2)用氣體檢測儀實時監(jiān)測苯乙烯蒸氣濃度，待苯乙烯基本蒸發(fā)完畢，濃度穩(wěn)定時打開干粉罐閥門開始噴灑干粉。(3)干粉采用點式噴灑在3 min內噴灑完畢(即3 min內共噴灑10次，每次持續(xù)約2 s)，持續(xù)監(jiān)測苯乙烯蒸氣濃度變化，待濃度下降到穩(wěn)定不變時，試驗結束，采集整個試驗過程中苯乙烯蒸氣濃度變化的連續(xù)數據。

2　結果和討論

2.1單一干粉洗消苯乙烯蒸氣

海泡石是一種層鏈結構纖維狀的硅酸鹽黏土礦物，表面多孔、多雜質、有與纖維方向一致的管狀貫穿通道，具有較大的比表面積，其內部有含氧酸堿性官能團，對揮發(fā)性有機物有良好的吸附性能[4]；硅藻土由硅藻壁殼組成，壁殼上有多級、大量、有序排列的微孔，化學穩(wěn)定性高，通常顆粒表面帶有電荷，這種結構為硅藻土的物理吸附和化學吸附提供了更多的吸附空間[5-6]；膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土巖，而蒙脫石則是由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的2︰1型黏土礦物，具有礦物的表面吸附作用、層間陽離子的交換作用、孔道的過濾作用及特殊的二維納米結構效應[7]；高疏水性樹脂屬于有機塑料，與揮發(fā)性有機物有相似的極性，該類樹脂的吸附性能類似于活性炭[8-9]，但比活性炭孔分布窄、機械強度好、容易脫附再生，在部分含酚廢水處理中已得到了應用；活性氧化鋁為多孔球粒，表面光滑，粒度均勻，對有機蒸氣主要是物理吸附；活性炭是一種價格低廉、來源廣泛、用途極廣的多孔碳，堆積密度低，比表面積大，吸附性強。因此試驗選取活性炭等6種典型干粉吸附劑進行洗消苯乙烯蒸氣研究。用活性炭、硅藻土等6種干粉對苯乙烯蒸氣進行洗消，苯乙烯蒸氣濃度變化如圖3所示。

試驗過程中噴灑的干粉都是相對過量的，因此在3 min噴灑后苯乙烯蒸氣最終穩(wěn)定的濃度可以用來表征干粉的洗消性能。而洗消率為苯乙烯降低的濃度與原始濃度之比，最大洗消速率為苯乙烯蒸氣濃度變化曲線上斜率最大的點。由圖3可知活性炭洗消苯乙烯蒸氣有最大的切線斜率和濃度下降幅度；硅藻土曲線平緩，洗消速率小，效率最低。為更好地表征不同干粉吸附苯乙烯的性能，將試驗數據中干粉對苯乙烯的最終洗消濃度、洗消率和最大洗消速率整理并加以對比。如表1所示，活性炭洗消苯乙烯蒸氣可以將濃度降低至448.1 ppm，洗消率達到89.0%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1，洗消性能最佳。而僅次于活性炭的活性氧化鋁，最終洗消濃度595.6 ppm，洗消率82.9%，最大洗消速率69.4 ppm·s-1。可見，活性炭和活性氧化鋁最終能將苯乙烯蒸氣濃度降低至《惡臭污染物排放標準》規(guī)定苯乙烯排放的一級標準濃度714.29 ppm以下。

圖3　不同干粉吸附劑洗消苯乙烯蒸氣濃度變化曲線

表1　不同干粉吸附苯乙烯性能

由表1可知，活性炭具有最好的吸附洗消效果?？赡苁且驗榛钚蕴吭趲追N無機干粉中密度最低，滯空性最好，表面功能團對苯乙烯有更好的親和性[3]，能更好地吸附揮發(fā)的苯乙烯蒸氣；而高疏水性樹脂利用極性相似吸附苯乙烯蒸氣的能力可能比活性炭、活性氧化鋁和海泡石的物理吸附能力弱。

2.2復配干粉洗消苯乙烯蒸氣

對比6種干粉的洗消性能，選洗消性能最優(yōu)的活性炭和活性氧化鋁按4︰1進行復配，洗消苯乙烯蒸氣，濃度變化曲線如圖4所示。

活性炭復配活性氧化鋁的洗消苯乙烯的最終濃度為433.1 ppm，洗消率達到90.4%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1。復配后干粉的洗消性能相比純活性炭而言有一定改善，洗消苯乙烯蒸氣最終濃度下降15.0 ppm，洗消率提高1.4%?？赡苁且驗閮煞N干粉同時噴灑比單一干粉的空間密度有所提高，對苯乙烯的洗消效率更高。

圖4　活性炭-活性氧化鋁復配洗消苯乙烯蒸氣濃度變化曲線

3　結論

試驗測試了活性炭等6種干粉吸附洗消苯乙烯蒸氣的性能，結果發(fā)現(xiàn)活性炭和活性氧化鋁洗消苯乙烯蒸氣都有顯著效果，活性炭洗消苯乙烯可以將苯乙烯蒸氣濃度降低至448.1 ppm，活性氧化鋁最終洗消濃度595.6 ppm，兩者以4︰1復配洗消苯乙烯蒸氣最終濃度433.1 ppm，都能將苯乙烯蒸氣濃度降低至國標規(guī)定排放值714.29 ppm以下，遠小于苯乙烯爆炸下限11 000 ppm。其中，活性炭和兩種干粉復配洗消苯乙烯蒸氣的效率都比較高。在苯乙烯泄漏事故現(xiàn)場處置中使用活性炭或活性氧化鋁都能將苯乙烯蒸氣濃度降低國標安全排放值以下，對消防部隊洗消和救援有一定的應用價值。

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(責任編輯、校對馬龍)

Experimental Study on Decontamination of Styrene Vapor with Adsorbent Powder

ZHANG Tong1, WANG Shouzhong1, SHAO Gaosong2, ZHANG Boyu2,FENG Haisheng2, DONG Chunhong1, LI Yu2

(1.CenterforEngineeringDesignandResearchundertheHeadquartersofGeneralEquipment,Beijing100028,China; 2.TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The decontamination effect of styrene vapor with 6 kinds of adsorbent powders, such as activated carbon, sepiolite, diatomite, bentonite, activated aluminium and hydrophobicity resin, was experimentally studied. The concentration of styrene vapor can be reduced to 448.1 ppm with activated carbon in 6 minutes, when the rate of decontamination was 89.0% and the maximum speed of decontamination was 80.5 ppm·s-1; The concentration of styrene vapor can be reduced to 433.1 ppm with activated carbon and activated aluminium oxide complex by mixing ratio 4︰1 in 7 minutes, when the rate of decontamination was 90.4% and the maximum speed of decontamination was 80.5 ppm·s-1. Activated carbon or activated carbon and activated aluminium oxide complex was effective to decontaminate styrene vapor and can make a big difference in handling the accident of styrene spill.

activated carbon; activated aluminium oxide; decontamination; styrene

2016-01-22

北京市科技計劃(Z141100000714005)；國家科技支撐計劃(2015BAK37B01)

張統(tǒng)(1963—)，男，河南方城人，研究員，主要研究危險化學品事故應急防控與軍事特種廢水污染治理； 王守中(1972—)，男，河南商丘人，高級工程師； 邵高聳(1980—)，女，山東濟寧人，講師； 張博宇(1993—)，男，陜西眉縣人，在讀碩士研究生； 馮海生(1981—)，男，河北玉田人，講師； 董春宏(1970—)，男，四川南充人，工程師； 李玉(1981—)，男，山東聊城人，講師。

TQ424; D631.6

A

1008-2077(2016)04-0010-04