一種新型甲苯吸收劑的復(fù)配及性能評價(jià)

于夢琦，朱仁成，李順義，陳思佳

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

甲苯會引起人體疲勞、頭疼、眩暈和代謝失調(diào)等癥狀[1-3]。常見的甲苯廢氣處理方式有吸收法、吸附法、冷凝法、催化燃燒法與生物法等[4-5]。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，吸收法是一種高效、簡便的處理方式[6-10]。

吸收劑分為有機(jī)溶劑和表面活性劑兩大類[11]。巫先坤等[12]采用新型礦物油對甲苯廢氣進(jìn)行吸收，初始吸收率可達(dá)97%。伍志波等[13]以生物柴油、水、Tween-80、正丁醇制備微乳液，吸收率高達(dá)91.14%。劉英等[14]在油水比(質(zhì)量比)為7∶3時(shí)，對甲苯廢氣的去除率可達(dá)到90.3%。陳定盛等[15]對廢機(jī)油的吸收效果研究表明，廢機(jī)油對甲苯的去除率達(dá)到 95%～98%。但以上研究均未對純吸收劑復(fù)配后的吸收效果進(jìn)行研究，本研究采用吸收法，以甲苯為目標(biāo)污染物，分別測定了植物油、礦物油比例復(fù)配后的新型有機(jī)吸收劑對甲苯的吸收效率、飽和吸收量等指標(biāo)，結(jié)果表明復(fù)配后的新型吸收劑對甲苯的飽和吸收時(shí)間及飽和吸收量均有明顯提高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了篩選低價(jià)易得的甲苯吸收劑，本研究在單種有機(jī)液體吸收甲苯的基礎(chǔ)上又對吸收液進(jìn)行了比例復(fù)配，研究了植物調(diào)和油、礦物油及按比例復(fù)配后的復(fù)合油分別吸收不同濃度甲苯的飽和吸收量及吸收效果隨時(shí)間變化的關(guān)系。

1.1 材料與儀器

甲苯純度≥99.5%，購自煙臺市雙雙化工有限公司;礦物油、植物調(diào)和油均為市場化的成品油，在表 1 中列舉了吸收液的部分物理化學(xué)性質(zhì)。

表1 吸收劑理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of absorbent

HH-1恒溫水浴鍋；NDJ-5S粘度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為本研究的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。整個(gè)反應(yīng)裝置由兩路組成：空氣支路、甲苯支路；空氣支路通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制進(jìn)口氣量；甲苯支路由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制空氣流量對甲苯液體進(jìn)行吹脫，HH-1恒溫水浴鍋對甲苯瓶進(jìn)行恒溫水浴，以穩(wěn)定吹脫出的甲苯氣體濃度?？諝馀c吹脫出的甲苯氣體在混合室中進(jìn)行混合，混合后的甲苯廢氣進(jìn)入吸收管被吸收劑吸收。吸收后的甲苯廢氣經(jīng)MiniRAE 3000(PGM 7340，RAE Systems)進(jìn)行濃度測定[16-18]。通過NDJ-5S粘度計(jì)對吸收劑的粘度進(jìn)行測定。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)首先對純礦物油及植物調(diào)和油對甲苯的吸收能力進(jìn)行了測定。將50 mL 純有機(jī)吸收劑加入吸收裝置，向裝置內(nèi)通入0.8 L/min的不同濃度甲苯廢氣，每隔5 min測定一次吸收裝置出口濃度，直至進(jìn)出口甲苯濃度平衡。將礦物油與植物調(diào)和油分別按照1∶1,2∶1,4∶1,1∶2,1∶4進(jìn)行復(fù)配，將50 mL 復(fù)配后的吸收劑加入吸收裝置，向裝置內(nèi)通入0.8 L/min的不同濃度甲苯廢氣，測定其飽和吸收時(shí)間。

為確保mini3000測定的準(zhǔn)確性，對mini3000與氣相色譜的測定那個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，對比結(jié)果見表2。

表2 甲苯濃度數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of toluene concentration data

由表2可知，便攜式測定儀在低濃度時(shí)與氣相色譜儀所測試出的結(jié)果相對偏差達(dá)到6.67%左右，但隨著濃度逐漸增高，二者的相對偏差逐漸減小，但是當(dāng)濃度增高至10 000 mg/m3以上時(shí)相對偏差又呈現(xiàn)增大趨勢，這與便攜測量儀的量程范圍有關(guān)。結(jié)果說明在便攜測定儀的量程范圍(50～15 000 mg/m3)內(nèi)測量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同進(jìn)氣濃度對飽和吸收時(shí)間及吸收效率的影響

分別向純礦物油吸收劑內(nèi)通入1 000,2 000,4 000,8 000,10 000 mg/m3的甲苯廢氣，純礦物油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果見圖2，植物調(diào)和油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果見圖3。

圖2 純礦物油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果Fig.2 Absorption effect of pure mineral oil absorbent on toluene waste gas

圖3 植物調(diào)和油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果曲線Fig.3 Absorption effect curve of plant blending oil absorbent on toluene exhaust gas

圖2、圖3為不同甲苯進(jìn)氣濃度對兩種純吸收劑吸收效果的影響。由圖可以看出，兩種吸收劑在吸收初始階段均對甲苯有較好的吸收效果，礦物油是從石油、煤炭、油頁巖中提取和精煉的，含有一定的苯系物成分，故通過相似相溶原理[17]對甲苯廢氣進(jìn)行吸收，對各進(jìn)氣濃度的初始吸收效率均達(dá)到99%以上，且初始甲苯出口濃度均低于50 mg/m3[18]。植物調(diào)和油對甲苯的初始凈化效率略低于礦物油，甲苯進(jìn)口濃度處于8 000～10 000 mg/m3時(shí)的出口濃度大于150 mg/m3，但仍能達(dá)到95%以上，這與Ozturk B,Yilmaz所做的研究結(jié)果相似[19]。 隨著甲苯進(jìn)氣時(shí)間的增長，兩種吸收劑對甲苯的吸收效率均發(fā)生明顯下降，同時(shí)隨著進(jìn)氣甲苯濃度的增大，兩種吸收劑的飽和吸收時(shí)間均逐漸減少，隨著進(jìn)口甲苯濃度從1 000 mg/m3增加至10 000 mg/m3，兩種吸收劑對甲苯的初始吸收效率均逐漸增大，與岑超平在甲苯進(jìn)口濃度增大時(shí)的吸收劑吸收效率變化規(guī)律類似[20]。隨著進(jìn)口甲苯濃度的增大，礦物油的飽和吸收時(shí)間從155 min縮短至80 min，植物調(diào)和油的飽和吸收時(shí)間從145 min縮短至65 min。

2.2 植物調(diào)和油與礦物油復(fù)配后對飽和吸收時(shí)間及吸收效率的影響

將植物調(diào)和油和礦物油按1∶4,2∶1,1∶1,1∶2,4∶1的體積比比例進(jìn)行復(fù)配，以1 000 mg/m3的甲苯進(jìn)氣量為例對其吸收效率及飽和吸收時(shí)間進(jìn)行測定，見圖4。

圖4 復(fù)配后吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果曲線Fig.4 Absorption effect of absorbent on toluene exhaust after compounding

由圖4可知，植物調(diào)和油和礦物油分別按照1∶1,2∶1,1∶4,1∶2,4∶1復(fù)配后的飽和吸收時(shí)間分別為：305,295,285,165,225 min，較純吸收劑的飽和吸收時(shí)間均有明顯延長。但復(fù)配后吸收劑的初始吸收效率僅分別為93.27%,93.46%,89.71%,92.22%,89.14%，較純吸收劑單獨(dú)吸收時(shí)吸收效率95%以上有了明顯降低?？赡艿脑?yàn)閮煞N吸收劑密度不一，吸收初始階段在甲苯廢氣作用主要進(jìn)行的是兩種吸收劑的液-液接觸，故初始吸收效率較低，待兩種吸收劑完全混勻后由甲苯廢氣推動下的液-液接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧妆綇U氣與混合吸收劑的氣-液接觸。在幾種復(fù)配比例中，1∶1復(fù)配后的飽和吸收時(shí)間達(dá)到305 min，初始吸收效率大于93%，吸收效果最佳。

圖5 復(fù)配后吸收劑對甲苯廢氣的吸收效率曲線Fig.5 Absorption efficiency curve of absorbent toluene exhaust gas after compounding

2.3 復(fù)配前后吸收劑的飽和吸收容量

利用以下公式，通過積分法計(jì)算吸收劑對甲苯的飽和吸收量：

式中QS——吸收劑飽和吸收量，mg/g；

Q——甲苯進(jìn)氣量，m3/min；

t——吸收飽和時(shí)間，min；

C進(jìn)——進(jìn)口甲苯濃度，mg/m3；

C出——出口甲苯濃度，mg/m3；

m——吸收液質(zhì)量，g。

圖6為純礦物油、植物調(diào)和油礦物油1∶1復(fù)配及純植物調(diào)和油對1 000,2 000,4 000,8 000,10 000 mg/m3甲苯的飽和吸收濃度。由圖6可以看出，礦物油的飽和吸收量略大于植物調(diào)和油的飽和吸收量，且均在甲苯進(jìn)口濃度8 000 mg/m3時(shí)飽和吸收量達(dá)到最大，礦物油和植物調(diào)和油的最大飽和吸收量分別為10.2,6.0 mg/g。進(jìn)行1∶1復(fù)配后的吸收劑在各個(gè)濃度的飽和吸收量均有了一定程度的提高，其中在甲苯進(jìn)口濃度4 000 mg/m3時(shí)飽和吸收量較單種吸收劑有了大幅提高，從原先的礦物油飽和吸收量僅6.19 mg/g，植物調(diào)和油飽和吸收量4.61 mg/g大幅提升至13.62 mg/g。

圖6 不同甲苯進(jìn)氣濃度下的吸收劑飽和吸收量Fig.6 Absorbent absorption of different toluene atmospheric concentration

為探究其飽和吸收量增大的原因，對礦物油、植物調(diào)和油及1∶1復(fù)配后的吸收劑粘度進(jìn)行了測定，測定結(jié)果見表1。復(fù)配后的吸收劑與純礦物油相比黏度有所降低，粘度較低的溶劑吸收劑的液膜分子間內(nèi)摩擦阻力較小，甲苯進(jìn)入溶劑吸收液的阻力也較小，吸收效果較好[9]。而純植物調(diào)和油雖本身粘度較低，但本身與甲苯相似成分較少，故飽和吸收量較低。

3 結(jié)論

本研究在單種有機(jī)液體吸收甲苯的基礎(chǔ)上又對吸收液進(jìn)行了比例復(fù)配，研究了植物調(diào)和油、礦物油及按比例復(fù)配后的復(fù)合油分別吸收不同濃度甲苯的飽和吸收量及吸收效率隨時(shí)間變化的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)純礦物油的最大飽和吸收時(shí)間為155 min，植物調(diào)和油的最大飽和吸收時(shí)間為145 min，而1∶1復(fù)配后的新型吸收劑最大飽和吸收時(shí)間大幅增加至305 min，隨著甲苯進(jìn)口濃度增大，3種吸收劑的飽和吸收時(shí)間均有明顯減少。

(2)礦物油及植物調(diào)和油均對甲苯有一定吸收能力，且初始吸收效率均能達(dá)到95%以上，但吸收劑飽和吸收時(shí)間較短，飽和吸收量相對復(fù)配后較小，最大僅為8 000 mg/g3濃度下10.2 mg/g，且隨著進(jìn)口甲苯濃度增大，飽和吸收時(shí)間縮短明顯。

(3)礦物油與植物調(diào)和油按照一定比例復(fù)配后得到的新型吸收劑，對甲苯的飽和吸收時(shí)間及飽和吸收量均有明顯提高，在甲苯進(jìn)口濃度4 000 mg/m3時(shí)飽和吸收量達(dá)到13.62 mg/g，但初始階段吸收效率相對單種吸收劑均有所下降，整體上新型吸收劑>礦物油>植物調(diào)和油。