復配表面活性劑水溶液吸收法處理乙酸丁酯廢氣

袁東超，王潔，于美玲，楊迪，董艷苓，武莉婭，李爽，楊宗政

(1.天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457；2.天津市津津藥業(yè)有限公司，天津 300380； 3.天津市慶安環(huán)境檢測有限公司，天津 300451)

吸收法具有效率高、操作簡單且污染物便于回收利用等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于霧霾貢獻物VOCs的治理[1-3]。孔鵬等[4-5]以復合溶劑(V油酸甲酯∶V油酸乙酯=1∶1)吸收乙酸丁酯廢氣，在一定操作條件下乙酸丁酯吸收率可達94.12%。刁春燕等[6-7]以易燃、易揮發(fā)的生物柴油(BDO)吸收濃度<7 000 mg/m3乙酸丁酯廢氣時，吸收率可達到98%以上。近年來，利用加入表面活性劑的水吸收VOCs中的甲苯取得良好效果[8-13]，而未見對乙酸丁酯廢氣吸收的研究報道。本文以Tween系列表面活性劑水溶液和Span-80不同復配比的乳液作為吸收劑，分析了吸收劑溫度、液氣比、進塔濃度對乙酸丁酯廢氣吸收率的影響，以期為乙酸丁酯廢氣治理提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

乙酸丁酯、Tween-20、Tween-40、Tween-60、Tween-80、Span-80均為化學純。

ACO-818型空氣泵(功率為385 W，排氣量300 L/min)；BT100-2J型蠕動泵；吸收塔(填料層高度1 000 mm，塔徑50 mm，采用13 mm陶瓷拉西環(huán)填料，散裝)，自組裝；PID VOC氣體檢測儀。

1.2 實驗方法

實驗裝置流程見圖1。

圖1 實驗裝置流程圖Fig.1 Flow chart of experimental device

1.空氣泵；2.緩沖罐；3.汽化罐；4.吸收劑保溫箱；5.吸收塔；6.吸收劑蠕動泵；7.解吸液保溫箱；8.解吸液蠕動泵；9.蒸汽發(fā)生器；A.檢測點；F1、F2.流量計；T.溫度計

空氣泵將新鮮空氣打入緩沖瓶，經(jīng)緩沖瓶后分為兩路，一路經(jīng)過裝有乙酸丁酯液體的汽化罐與另一路氣體在管道中混合以模擬工廠乙酸丁酯廢氣，從吸收塔底部進入的氣體與來自塔頂?shù)奈談┻M行逆流吸收，吸收后的吸收液進入吸收液儲存罐中。在解吸操作中，解吸液經(jīng)蠕動泵從塔頂進入與來自塔底的蒸汽發(fā)生器制成的水蒸氣逆流解吸，解吸后的解吸液可作為吸收劑重復使用。

實驗過程中通過調(diào)節(jié)兩個流量計進而調(diào)節(jié)進塔氣體流量和進塔乙酸丁酯濃度，進出塔氣體的乙酸丁酯濃度均可在檢測點利用PID VOCs檢測儀進行檢測；吸收劑和解吸液流量分別通過兩臺蠕動泵進行調(diào)整具體數(shù)值，進塔吸收劑溫度可由塔頂溫度計進行測量。本實驗配制的表面活性劑水溶液均為1 500 mL，每次吸收穩(wěn)定5 min后進行出塔氣體濃度的測量。

乙酸丁酯的吸收率可由下式計算：

η=(Cm1-Cm2)/Cm1×100%

式中η——吸收率，%；

Cm1——進塔乙酸丁酯質(zhì)量濃度，mg/m3；

Cm2——出塔乙酸丁酯質(zhì)量濃度，mg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收劑的篩選

實驗選取了Tween-20、Tween-40、Tween-60與Tween-80表面活性劑，分別配制了濃度(體積濃度)為0.10%，0.25%，0.50%，0.75%，1.0%，1.5%，2.0%水溶液作為乙酸丁酯吸收劑。實驗條件：進塔氣體流量為1.0 m3/h，吸收劑(表面活性劑水溶液)流量為5.0 L/h，進塔乙酸丁酯濃度為8 000 mg/m3，研究不同濃度的Tween表面活性劑對乙酸丁酯的吸收效果，結(jié)果見圖2。

圖2 不同濃度表面活性劑對乙酸丁酯吸收效果的影響Fig.2 Effect of different surfactant concentrations on the absorption of butyl acetate

實驗中發(fā)現(xiàn)，在本研究的實驗條件下，當表面活性劑濃度>2.0%時，由于表面張力的作用，吸收過程中會有大量的泡沫產(chǎn)生，因此對>2.0%濃度的純表面活性劑不做研究。由圖2可知，4種Tween類型表面活性劑對乙酸丁酯的吸收率大小為Tween-80>Tween-60>Tween-40>Tween-20，而四者的親水疏水平衡值(HLB)分別為15.0，14.9，15.6，16.7[14]，其中Tween-20和Tween-40的HLB值較大，其親油性較弱，因此吸收率較小。雖然Tween-80和Tween-60的HLB值較小，且Tween-80僅比Tween-60的HLB值大0.1，但Tween-80的乳化性高于Tween-60，所以Tween-80對乙酸丁酯吸收率較大。

2.2 不同濃度Tween-80與Span-80加入量對乙酸丁酯吸收效果的影響

在實驗條件相同的情況下，分別在濃度為1.0%，2.0%，3.0%的Tween中加入不同量的Span-80，攪拌混合均勻，定容至1 500 mL，考察不同濃度Tween-80與Span-80加入量對乙酸丁酯吸收率的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，乙酸丁酯吸收率均隨Tween-80濃度的增加而增加，Span-80的加入量對其吸收率的增加較為明顯，且加入量越大，吸收率越大。對比圖2可以發(fā)現(xiàn)，在同樣條件下，復配表面活性劑的水溶液較單一的表面活性劑水溶液對乙酸丁酯吸收率有所增加，這是由于Tween-80與Span-80具有相似的疏水基，二者的混合可以使混合溶液中產(chǎn)生較高濃度的膠束[15]，從而加大了乙酸丁酯的吸收率。Span-80的加入不但可以提高吸收率，還可以使起泡現(xiàn)象不再發(fā)生。因此，本研究選用45 mL的Tween-80與45 mL的Span-80混合水溶液作為吸收劑，此時二者的濃度各為3.0%。

圖3 Span-80加入量對乙酸丁酯吸收效果的影響Fig.3 Effect of Span-80 addition on the absorption of butyl acetatea.1%濃度Tween；b.2%濃度Tween；c.3%濃度Tween

2.3 吸收劑溫度對吸收效果的影響

在企業(yè)的工程應(yīng)用中，由于一年中四季的變化，吸收劑的溫度也會隨之發(fā)生改變，這些因素會影響VOCs的吸收。在本研究中，控制實驗條件為進塔乙酸丁酯濃度9 565 mg/m3，進塔氣體流量1 m3/h，吸收劑流量為15.0 L/h，研究不同溫度的吸收劑對吸收率的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，溫度是影響乙酸丁酯吸收率的重要因素之一。當吸收劑溫度在5～35 ℃變化時，吸收率下降了28.83%，這是因為隨著溫度的升高，乙酸丁酯在吸收劑中的溶解度降低，同時，根據(jù)亨利定律，當吸收劑溫度升高時，亨利常數(shù)會增加，因此，在其他條件不變的情況下，吸收劑溫度的升高不利于乙酸丁酯的吸收。

圖4 吸收劑溫度對吸收效果的影響Fig.4 Effect of absorbent temperature on absorption

2.4 液氣比對吸收效果影響

在填料塔的氣體吸收和設(shè)計中，液氣比是一個比較重要的工藝參數(shù)，液氣比的變化會影響氣體的吸收效果。實驗條件：進塔乙酸丁酯濃度為9 565 mg/m3，進塔氣體流量為1 m3/h，吸收劑溫度為10 ℃，通過增大吸收劑的流量來控制液氣比的大小，以此來研究液氣比的改變對乙酸丁酯吸收效果的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 液氣比對吸收效果的影響Fig.5 Effect of liquid-gas ratio on absorption

由圖5可知，液氣比從3.7 L/m3增加到16.8 L/m3的過程中，乙酸丁酯吸收率從60.50%增加到了91.86%，且出塔濃度不斷減小。這是因為當液氣比較小時，吸收劑流量較小，填料的表面沒有得到充分的潤濕，而液氣比的增加相當于加大了填料的潤濕率，提高了傳質(zhì)推動力，所以液氣比的增加有利于乙酸丁酯的吸收?？紤]到吸收劑的成本問題，本研究選用的液氣比為15.0 L/m3，此時的吸收劑流量為15.0 L/h。

2.5 進塔乙酸丁酯濃度對吸收效果影響

實驗條件：進塔氣體流量為1 m3/h，吸收劑流量為15 L/h，吸收劑溫度為10 ℃，研究不同的進塔乙酸丁酯濃度對吸收效果的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 進塔乙酸丁酯濃度對吸收效果影響Fig.6 Effect of butyl acetate concentration on absorption

由圖6可知，當進塔濃度在2 000～9 500 mg/m3范圍內(nèi)變化時，乙酸丁酯吸收率均在82.00%以上，且隨著濃度的增加吸收率略有增加。這是因為當溫度和壓力不變時，氣體在液相中的平衡濃度與乙酸丁酯在氣相中的平衡分壓成正比，從而增大了氣液兩相的傳質(zhì)推動力，所以在進塔濃度增大時，吸收率略有增加。

2.6 吸收劑的循環(huán)使用

吸收劑在吸收完成后直接排放不但會造成浪費，還會引起二次污染，因此需對吸收劑進行回收再利用。研究中采用吸收實驗的填料吸收塔作為本研究的解吸塔，解吸實驗條件：進塔水蒸氣流量1 m3/h，解吸液流量13 L/h；吸收實驗條件：進塔乙酸丁酯濃度為9 430 mg/m3，進塔廢氣流量1 m3/h，吸收劑(解吸后的吸收劑)流量15 L/h，吸收劑溫度為10 ℃，實驗中每次吸收完成后再進行解吸，共循環(huán)解吸3次，同時研究解吸次數(shù)對吸收效果的影響。實驗結(jié)果表明，第1次解吸完成后進行吸收實驗的吸收率為81.21%，第2次為80.09%，第3次為78.39%，吸收效果會有所降低，降低原因為解吸過程中吸收液的溫度低于水蒸氣的溫度，使部分水蒸氣冷凝成液態(tài)水溶于吸收劑中，使表面活性劑的濃度有所降低，從而降低了吸收率。

3 結(jié)論

四種Tween類型表面活性劑中Tween-80對乙酸丁酯的吸效果最好，且吸收率隨其濃度的增加而增大；Span-80的加入不但能夠消除起泡現(xiàn)象還能提高乙酸丁酯吸收率，其加入量越大吸收率越大；3.0%的Tween-80與3.0%的Span-80復配水溶液對乙酸丁酯具有較大的吸收率，在吸收劑溫度為10 ℃，進塔廢氣流量為1.0 m3/h，進塔吸收劑流量為15 L/h，液氣比為15 L/m3時，復配表面活性劑對乙酸丁酯吸收率可達到90.65%。在一定條件下，解吸后的吸收劑對乙酸丁酯吸收率為81.21%，隨著解吸次數(shù)的增加吸收率略有降低。本研究為工業(yè)選擇合適的乙酸丁酯吸收劑提供了理論基礎(chǔ)，工藝參數(shù)對吸收率的影響在工程設(shè)計中具有指導意義。