基于改性粉煤灰材料的雙濾筒VOCs 吸附裝置開發(fā)

齊立強(qiáng)，高唯恒，李晶欣，羅積琛

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071000）

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）還是PM2.5重要的前驅(qū)物，與霾的產(chǎn)生有緊密的聯(lián)系，也是破壞臭氧層的因素之一，因此，對VOCs 進(jìn)行控制和處理是提高空氣質(zhì)量的重要措施之一[1]。

VOCs 的處理技術(shù)有很多，吸附法能夠使VOCs廢氣附著于吸附劑的表面，從而達(dá)到凈化空氣的作用，因其結(jié)構(gòu)簡單、處理效果好、成本低而被廣泛應(yīng)用[2，3]。吸附法目前多以活性炭或分子篩為吸附劑，存在處理成本較高、再生程序復(fù)雜的弊端。傳統(tǒng)吸附裝置常采用固定床或移動(dòng)床的吸附結(jié)構(gòu)，吸附過程中存在吸附床層過厚導(dǎo)致氣體壓力損失過大、進(jìn)氣壓力分布不均導(dǎo)致吸附床層吸附不均勻等現(xiàn)象，使吸附劑不能得到充分利用[4，5]。

粉煤灰是燃煤鍋爐焚燒后的產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大且過量囤積會(huì)造成揚(yáng)塵、水體污染等諸多環(huán)境問題。粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，粒徑為0.5—300μm，孔隙率高達(dá)50%—80%，有很強(qiáng)的吸附能力[6]。粉煤灰成本低廉且經(jīng)改性后吸附潛能得到極大開發(fā)，完全有可能取代活性炭和分子篩成為普遍應(yīng)用的吸附劑。改性粉煤灰吸附劑的主要成分為硅鋁酸鹽以及硅、鋁、鐵、鈣等元素的氧化物形態(tài)，能夠耐高溫耐腐蝕，再生損失量小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，重復(fù)利用率較高，脫附技術(shù)簡單易行。

針對傳統(tǒng)吸附工藝的不足，本研究基于改性粉煤灰作為吸附劑，設(shè)計(jì)了一種VOCs 吸附裝置，采用雙濾桶和旋流設(shè)計(jì)，提高了氣體處理效率和吸附劑利用率，而且可多次再生。

1 粉煤灰改性吸附劑及吸附效率

為驗(yàn)證改性粉煤灰的吸附性能，本研究以乙酸乙酯為被吸附氣體設(shè)計(jì)了吸附實(shí)驗(yàn)，獲得了不同改性方法的粉煤灰對乙酸乙酯的吸附曲線和吸附量。

取粉煤灰過篩剔除大顆粒后放入高頻振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)研磨40min，將研磨后的粉煤灰置于干燥箱內(nèi)充分干燥，得到研磨原灰。研磨會(huì)使粉煤灰細(xì)化，使其粒徑分布比例發(fā)生較大變化，研磨也會(huì)增加粉煤灰的孔容和孔徑，使粉煤灰活化，激發(fā)了粉煤灰潛在的吸附性能[7-9]。

稱取一定質(zhì)量研磨原灰與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的HCl溶液按照質(zhì)量比1 ∶ 10 進(jìn)行混合，將混合物置于水浴加熱器中，在60℃條件下攪拌2h，之后冷卻至室溫25℃，采用去離子水洗滌至中性，利用真空干燥箱在150℃條件下干燥6h，常溫保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取一定量經(jīng)過酸處理的粉煤灰與30%的NaOH 溶液按照質(zhì)量比1∶10 進(jìn)行混合，將混合物在80℃條件下攪拌處理2h，冷卻至室溫后，重復(fù)酸處理之后洗滌干燥步驟即完成酸堿聯(lián)合改性粉煤灰的制備。酸堿改性在使粉煤灰的比表面積增大的同時(shí)破壞粉煤灰內(nèi)部的晶體成鍵現(xiàn)狀并重新組合成鍵，使硅鋁氧化物等具有較強(qiáng)吸附能力的物質(zhì)含量比例增大，這也極大提升了粉煤灰的吸附能力[10，11]。

如圖1 所示，吸附實(shí)驗(yàn)整體采用鼓泡法進(jìn)行，氣瓶中的壓縮空氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置中，利用混氣瓶將氣流分為兩路，各自利用流量計(jì)測定流量大小，將其中一路通入三頸燒瓶，將其中的乙酸乙酯氣體吹入氣路中，之后由下一個(gè)混氣瓶將兩路氣流混合，通過控制兩路氣流大小，可實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)氣流流量大小以及其中吸附質(zhì)乙酸乙酯的濃度，然后氣流進(jìn)入吸附柱，利用氣相色譜儀檢測吸附柱進(jìn)出口端濃度。如圖2 所示，統(tǒng)計(jì)各時(shí)間點(diǎn)的氣體出口濃度即得到不同組別粉煤灰對乙酸乙酯吸附的穿透曲線（穿透時(shí)間在此定義為氣體出口濃度達(dá)到氣體進(jìn)口濃度的95%，并持續(xù)10min 以上，即為穿透）。

圖1 吸附實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖

圖2 粉煤灰吸附乙酸乙酯的穿透曲線圖

由穿透曲線可知，乙酸乙酯氣體濃度在一段相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)會(huì)趨于整體平衡，隨著粉煤灰慢慢吸附，飽和乙酸乙酯濃度會(huì)隨時(shí)間迅速上升后幾乎達(dá)到氣體進(jìn)氣濃度，此時(shí)的粉煤灰已達(dá)到完全吸附飽和。改性后的粉煤灰對乙酸乙酯有更高的吸附效率，而且吸附時(shí)間明顯增長。由此可見，通過改性處理的粉煤灰對VOCs 的吸附能力明顯增強(qiáng)。由吸附量公式結(jié)合對乙酸乙酯的穿透曲線得到了不同組別粉煤灰對乙酸乙酯的吸附量，具體數(shù)值如下表所示。

不同組別粉煤灰對乙酸乙酯的飽和吸附量

2 雙濾筒旋流VOCs 吸附裝置的設(shè)計(jì)與原理

如圖3 所示，吸附裝置由內(nèi)、外濾筒套裝圍成雙濾筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)濾筒為圓環(huán)柱形結(jié)構(gòu)，外濾筒為上薄下厚的圓環(huán)臺(tái)形結(jié)構(gòu)，兩濾筒上下封閉，筒壁可供氣體穿過；外濾筒和內(nèi)濾筒內(nèi)部可填裝顆粒狀或成型板式改性粉煤灰吸附劑；待處理氣體由下端進(jìn)氣口進(jìn)入，旋轉(zhuǎn)上升的同時(shí)穿過內(nèi)、外濾筒，處理后的氣流進(jìn)入內(nèi)濾筒中心氣道或外濾筒與殼體間，通過出氣口排出。內(nèi)濾筒內(nèi)側(cè)及外濾筒外側(cè)殼體內(nèi)壁上設(shè)置多條再生噴吹管，吸附劑飽和時(shí)可通過反吹再生，也可將內(nèi)外濾筒一起高溫再生。

圖3 吸附裝置部件標(biāo)注及氣流示意圖

吸附裝置運(yùn)行時(shí)，VOCs 廢氣由進(jìn)氣口接管穿過吸附組件進(jìn)氣口切向進(jìn)入濾筒夾層環(huán)形氣道，在氣道內(nèi)形成環(huán)流螺旋上升（氣體流向見圖3）。廢氣邊旋轉(zhuǎn)邊上升，一部分廢氣在離心動(dòng)壓的作用下穿透外濾筒，被濾筒內(nèi)的改性粉煤灰吸附劑凈化后進(jìn)入殼體與雙濾筒吸附組件的夾層空間，另一部分廢氣在氣流靜壓作用下穿透內(nèi)濾筒，凈化后進(jìn)入吸附組件中心氣道，兩部分被凈化的氣體在裝置頂部匯集，經(jīng)由出氣口接管排出。當(dāng)吸附床層穿透后，由再生噴吹管噴射過熱蒸汽或高溫氮?dú)獾冉橘|(zhì)，對雙濾筒吸附組件進(jìn)行再生，再生廢氣經(jīng)由外濾筒、雙濾筒夾層環(huán)形氣道和內(nèi)濾筒進(jìn)入中心氣道，由中心氣道下部出口以及再生廢氣出口接管排出。再生廢氣中的VOCs 組分可通過冷凝、分餾等技術(shù)再次回收利用。對于不需回收的VOCs 成分，雙濾筒吸附組件可拆卸，經(jīng)高溫煅燒后重復(fù)使用。

3 雙濾筒旋流VOCs 吸附裝置的吸附實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，實(shí)驗(yàn)室試制了小型吸附裝置。內(nèi)、外濾筒底部厚度比值為1 ∶ 1.8，內(nèi)、外濾筒頂部厚度比值為1 ∶ 1；內(nèi)濾筒床層厚度為0.05m，外濾筒上部厚度為0.05m，下部厚度為0.09m；空床氣速設(shè)置為10m/min。夾層環(huán)形氣道的高度與厚度之比為8 ∶ 1。

實(shí)驗(yàn)中以甲苯為目標(biāo)污染物，甲苯廢氣濃度分別設(shè)置為400mg/m3和800mg/m3。圖4 為不同VOCs 濃度對吸附效果的影響。結(jié)果表明，在吸附初始階段裝置的出口甲苯濃度一直未檢出，隨著吸附時(shí)間的延長，吸附床層被穿透，出口濃度先緩慢上升后迅速升高，入口濃度為400mg/m3和800mg/m3的吸附曲線穿透時(shí)間分別為45min 和24min 左右、吸附飽和時(shí)間分別為63min 和42min 左右。

圖4 不同VOCs 濃度對吸附效果的影響圖

圖5 為再生次數(shù)對吸附效果的影響。本實(shí)驗(yàn)入口濃度固定為400mg/m3，其他參數(shù)不變，進(jìn)行了20 次吸附再生循環(huán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，再生10 次以內(nèi)，改性粉煤灰吸附劑的吸附效果無明顯降低，10—20 次再生期間，吸附效果呈下降趨勢，但在第20 次再生結(jié)束后，吸附劑的穿透時(shí)間仍能達(dá)到30min 左右。由此可知，由于改性粉煤灰吸附劑的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，其具有較好的多次再生吸附能力。

圖5 再生次數(shù)對吸附效果的影響圖

4 結(jié)語

粉煤灰經(jīng)改性后活性被激發(fā)，比表面積、孔隙率、孔容、孔徑等各項(xiàng)參數(shù)都有較大優(yōu)化，硅鋁酸鹽等吸附能力較強(qiáng)的物質(zhì)含量比例增加，灰體吸附能力大為增強(qiáng)，成為一種高效、經(jīng)濟(jì)的吸附劑。

雙濾筒旋流吸附裝置通過內(nèi)外雙濾筒、氣體旋流上升的巧妙設(shè)計(jì)和合理的參數(shù)設(shè)計(jì)比例彌補(bǔ)了現(xiàn)有吸附裝置的不足，提高了吸附劑的利用率和吸附效率，適用于工業(yè)中大氣量污染氣體的處理。