多層吸附床層中活性炭對烷烴的吸附特性

柳 龍，席婧茹

（廣州金鵬環(huán)保工程有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

揮發(fā)性有機污染物(Volatile organic compounds,VOCs)一般定義為室溫下飽和蒸氣壓＞133.32 Pa的有機物，涉及行業(yè)包括石油、石化、制藥、冶金、印刷、印染等。VOCs的大量排放不僅嚴重污染環(huán)境，還影響正常工作生產(chǎn)及生活，VOCs還是臭氧等污染物的前驅(qū)體。烷烴類有機物是其中飽和蒸氣壓較大的一類，氣相中烷烴類有機物主要來源于石油化工行業(yè)，在一定條件下可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生其他污染物，不利于生態(tài)環(huán)境及人體健康，并且烷烴還可導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。

活性炭以其良好機械強度、獨特的物理結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)，飽和吸附容量大的特點成為最為常見的一種吸附劑，并且可再生循環(huán)使用。利用活性炭吸附脫附過程的高濃縮比，脫附出的VOCs產(chǎn)物可進行后續(xù)再處理，與冷凝回收、直接燃燒、催化燃燒等后處理工藝可以很好的銜接，實現(xiàn)VOCs廢氣無害化的全過程處理。Carvajal-Bernal A M研究了活性炭經(jīng)過磷酸浸漬改性后，對正戊烷吸附容量達到757 mg/g；Khazraei V A認為相對分子量、沸點以及與活性炭形成離子極化率的大小影響活性炭對不同污染物的吸附容量，顆?；钚蕴吭谙鄬穸?0%時對正己烷的吸附達到最大9.45%；Ikuo Ushiki在超臨界CO2條件下（313 K，10 MPa）測得活性炭對正己烷吸附量達到80 mg/g以上，對正辛烷吸附量達到140 mg/g以上。徐效梅在活性炭固定床層吸附正戊烷和正己烷，得到精度較高的穿透吸附曲線計算通式。Ma等人研究了在流化床結(jié)構(gòu)條件下活性炭吸附VOC的情況。而當前對于多層吸附層設(shè)計顆粒活性炭對烷烴吸附規(guī)律的研究還有待豐富。

通過研究顆粒活性炭對正丁烷(C4)、正戊烷(C5)、正己烷(C6)、正庚烷(C7)、正辛烷(C8)等小分子直鏈烷烴的吸附效果，探究不同直鏈烷烴污染物對吸附過程穿透及去除率的影響，吸附劑對不同直鏈烷烴的吸附容量，測試吸附劑床層數(shù)對吸附過程的影響。為顆粒活性炭在烷烴廢氣處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供參考，有助于烷烴回收創(chuàng)造額外價值，減少溫室氣體產(chǎn)生，具有助力節(jié)能減排的雙重意義。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

采用多層床層吸附裝置對小分子直鏈烷烴廢氣進行吸附，吸附床層間用法蘭連接，層間設(shè)有電驅(qū)動下料機構(gòu)，便于下料。

烷烴對顆粒狀活性炭的吸附工藝流程如圖1所示。

圖1 烷烴對顆粒狀活性炭的吸附工藝流程Fig.1 Process of n-Alkanes adsorption on granular activated carbon

由圖1可得，經(jīng)風(fēng)機6將預(yù)先混合至預(yù)設(shè)VOC濃度的廢氣導(dǎo)入吸附系統(tǒng)，廢氣穿過顆?；钚蕴看矊?，完成對廢氣的凈化。實驗中風(fēng)機6使用海利漩渦風(fēng)機(風(fēng)量60 m3/h，全壓15 kPa)為系統(tǒng)動力風(fēng)機，風(fēng)機1為WM9290直流變頻風(fēng)機(量程40 m3/h，全壓13 kPa)，轉(zhuǎn)子流量計4為振興不銹鋼轉(zhuǎn)子流量計(量程6～60 m3/h)，檢測儀表為便攜式VOC檢測儀MiniRAE3000(0～5×10-3)。

1.2 實驗方法

實驗使用直徑4 mm煤基質(zhì)顆?；钚蕴孔鳛槲絼?，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 顆?；钚蕴啃阅軈?shù)Table 1 Properties of granular activated carbon

由表1可得，實驗使用已正丁烷(＞95%)、正戊烷(≥99%)、正己烷(≥99%)、正庚烷(≥98.5%)、正辛烷(≥97%)作為污染物，以煤質(zhì)顆粒活性炭作為吸附劑，床層吸附劑高度150 mm，廢氣進氣濃度10 g/m3，氣體流速0.33 m/s，吸附床層數(shù)5層，通過監(jiān)控出口烷烴濃度隨時間的變化情況得到顆粒活性炭對直鏈烷烴的吸附穿透曲線，以分析顆粒活性炭對直鏈烷烴的吸附特性。

1.3 實驗步驟

向各吸附床層裝入高度150 mm的顆粒活性炭，打開閥門5，關(guān)閉閥門7，通過主風(fēng)機6負壓及風(fēng)機1混合污染物及空氣，調(diào)節(jié)污染氣體濃度至10 g/m3、氣體流量至16 m3/h；完成后，關(guān)閉閥門5，打開號閥門7，開始吸附實驗，過程使用便攜式VOC檢測儀監(jiān)控VOC濃度；每組吸附實驗完成后，更換吸附劑及污染物，可得到顆?；钚蕴课礁魍闊N的吸附曲線、吸附容量，以及多層吸附床層工藝條件下各層吸附劑對污染物的吸附曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒活性炭對小分子直鏈烷烴的去除率及吸附量

以小分子直鏈烷烴為污染物，測試顆粒活性炭的吸附情況，實驗以吸附床層出氣口檢測到VOC氣體為穿透點，以吸附床層出氣濃度/系統(tǒng)進氣濃度=90%為層吸附床層飽和點，對應(yīng)吸附量為床層飽和吸附量。

顆?；钚蕴繉χ辨溚闊N的去除率如圖2所示。

圖2 顆粒活性炭對直鏈烷烴的去除率Fig.2 Removal rate of n-alkanes on granular activated carbon

顆?；钚蕴繉χ辨溚闊N的吸附量如圖3所示。

圖3 顆?；钚蕴繉χ辨溚闊N的吸附量Fig.3 Adsorption capacity of n-alkanes on granular activated carbon

由圖2和圖3可得，顆?；钚蕴课秸⊥榈拇┩笗r間＜5 min，對正丁烷的吸附量迅速達到飽和后，保持平穩(wěn)，吸附飽和時間為13 min，飽和吸附量22 mg/g。以正戊烷作為污染物，顆?；钚蕴课秸焱檫^程穿透＜5 min，床層吸附飽和時間為20 min，飽和吸附量63 mg/g，對比正丁烷，其飽和吸附量已經(jīng)有明顯提升。以正己烷作為污染物，床層穿透時間為第11 min，在床層顆?；钚蕴课搅窟_到飽和后保持相對平穩(wěn)，吸附飽和時間為25 min，飽和吸附量85 mg/g，飽和吸附量進一步提升。以正庚烷作為污染物，顆?；钚蕴课秸檫^程，床層穿透時間為第35 min，對正庚烷的吸附飽和時間為50 min，飽和吸附量145 mg/g，對比正丁烷、正戊烷和正己烷，其飽和吸附量有極大提升，且床層穿透時間延長。以正辛烷作為污染物，顆?；钚蕴课秸镣檫^程，床層穿透時間為第25 min，吸附飽和時間為48 min，飽和吸附量145 mg/g，與正庚烷相比，其飽和吸附量不變，但穿透時間減少。

2.2 顆?；钚蕴繉π》肿又辨溚闊N吸附特性綜合比較

隨著碳原子數(shù)目增加，顆?；钚蕴繉χ辨溚闊N的吸附量逐漸增加，從22 mg/g增加到145 mg/g，從C7至C8吸附量無增長。從吸附穿透時間看，從C4到C7穿透時間逐漸延長，從5 min延長至35 min，但從C7到C8，穿透時間由35 min減少至25 min。

在直鏈烷烴吸附過程中，顆粒活性炭對C7的吸附效果最好，吸附容量最大，穿透時間最長，對C8的吸附效果其次，對C4的吸附能力最差。綜合吸附量及穿透時間，顆?；钚蕴繉χ辨溚闊N的吸附能力強弱為C7＞C8＞C6＞C5＞C4。

活性炭吸附直鏈烷烴的吸附容量及穿透時間如圖4所示。

圖4 活性炭吸附直鏈烷烴的吸附容量及穿透時間Fig.4 Adsorption capacity and breakthrough time of n-alkanes on granular activated carbon

活性炭吸附性能與污染物液相飽和蒸氣壓、氣體分子極性、分子量、沸點，以及活性炭本身結(jié)構(gòu)特性、活性炭表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)?；钚蕴勘旧淼奶继兼I為非極性鍵，因此更容易吸附弱極性和非極性的VOCs分子。

小分子直鏈烷烴特性參數(shù)見表2。

表2 小分子直鏈烷烴特性參數(shù)Table 2 Properties of short chain n-alkanes

由表2可得，C4-C8等小分子直鏈烷烴分子偶極矩均極小，差異不明顯。

直鏈烷烴的分子特性對吸附量的影響如圖5所示。

圖5 直鏈烷烴分子特性對吸附量的影響Fig.5 Influence of properties of short chain n-alkanes on adsorption capacity

由圖5可得，顆粒活性炭吸附小分子直鏈烷烴飽和容量與相對分子質(zhì)量、沸點以及極化率成正相關(guān)，且線性擬合相關(guān)度較高，擬合優(yōu)度R2均＞0.9，與飽和蒸氣壓則呈負相關(guān)。

2.3 多層吸附劑對小分子直鏈烷烴去除的影響

多層吸附床層對直鏈烷烴逃逸比的影響如圖6所示。

圖6 多層吸附床層對直鏈烷烴逃逸比的影響Fig.6 Influence of multilayer adsorbent on n-alkanes escape rate

以氣體流向依次標記吸附劑床層為第1至第5層，以VOC逃逸比（床層出氣濃度/系統(tǒng)進氣濃度）對吸附時間作圖，如圖6（a）所示，在多層顆粒活性炭吸附正丁烷過程中，當?shù)?層達到穿透時，前1層出口廢氣逃逸比仍處于上升階段，且床層吸附正丁烷未達到飽和。因此，處理以正丁烷為主的廢氣需要增加吸附床層數(shù)，以便于床層吸附劑更換及補充，滿足氣體排放要求。

如圖6（a），在多層顆粒活性炭吸附正戊烷、正己烷過程中，當?shù)?層穿透時，第1層吸附已達到飽和點，對比正丁烷，顆粒活性炭對正戊烷、正己烷吸附過程中，可實現(xiàn)單層吸附劑吸附容量100%利用。在工程應(yīng)用中吸附床層使用2層設(shè)計可滿足吸附劑更換及排放要求，可通過調(diào)整單層填料高度進一步提升系統(tǒng)抗沖擊能力。

如圖6（b）所示，在多層顆?；钚蕴课秸椤⒄镣槲廴練怏w過程中，當?shù)诙哟┩笗r，前一層吸附床層已達到飽和。因此，顆?；钚蕴繉φ橐约罢镣閱谓M分污染氣體吸附過程，可實現(xiàn)單層吸附劑吸附容量的100%利用。

在利用多層吸附濾床工藝處理C4廢氣時，多層吸附床需設(shè)計至少3層，處理C5-C8廢氣時，多層吸附床設(shè)計2層即可滿足換料頻次，并充分利用活性炭容量。

3 結(jié) 語

顆粒活性炭對C4-C7直鏈烷烴的吸附量隨碳原子數(shù)目增加而增加，從C7增加到C8時，吸附量無變化。在處理小分子直鏈烷烴廢氣時，可根據(jù)相對分子量、沸點、分子極化率，以及飽和蒸氣壓判斷顆?；钚蕴康奈饺萘康南鄬Υ笮　ａ槍σ訡5、C6、C7、C8直鏈烷烴為主要廢氣的工況，顆?；钚蕴康奈饺萘靠赏耆茫诠こ虘?yīng)用中，設(shè)計多層吸附床層結(jié)構(gòu)的吸附工藝可采用2層即可，通過調(diào)整填料層高度提高抗沖擊負荷能力，針對C4為主的廢氣，采用多層設(shè)計并及時對床層吸附劑逐層更換可取得理想的凈化效果。