活性炭上非穩(wěn)態(tài)VOCs廢氣的處理

　　目前，揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放主要集中在石油化工、包裝印刷、印染紡織、涂料、精細(xì)化工等行業(yè)。在這些行業(yè)中，排放通常由高風(fēng)量和低濃度VOC組成，并且一些行業(yè)表現(xiàn)出間歇性排放特征。在這項(xiàng)研究中，研究了活性炭上以非穩(wěn)態(tài)排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物的擴(kuò)散、分離和緩沖。選擇吸附能力和擴(kuò)散速率差異較大的乙醇和二甲苯作為揮發(fā)性有機(jī)物的代表性目標(biāo)污染物。本研究的重點(diǎn)是活性炭吸附對(duì)非穩(wěn)態(tài)VOC的緩沖效應(yīng)，特別是在預(yù)處理生物處理的背景下。非穩(wěn)態(tài)流的存在顯著影響生物處理設(shè)備的性能。活性炭的緩沖作用調(diào)節(jié)生物處理設(shè)備進(jìn)氣濃度，減弱生物處理進(jìn)氣波動(dòng)。

　　實(shí)驗(yàn)裝置和方法

　　動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)在室溫(25℃)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置由氣體分配系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)兩部分組成。吸附系統(tǒng)由恒溫箱和吸附單元組成。檢測(cè)口位于吸附系統(tǒng)之前和之后。動(dòng)態(tài)法測(cè)定活性炭對(duì)脈沖負(fù)荷緩沖性能的裝置如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)以乙醇或二甲苯為單一檢測(cè)對(duì)象。氣體分配系統(tǒng)包括風(fēng)扇、干燥裝置、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、微注射計(jì)量泵、加熱器和緩沖室。使用FT-IR傅里葉氣體分析儀作為測(cè)量設(shè)備。在氣體分配系統(tǒng)中，在短時(shí)間內(nèi)(2分鐘和5分鐘)，微注射計(jì)量泵的注射量迅速增加到原始體積的預(yù)定倍數(shù)(10倍和20倍)，以產(chǎn)生脈沖負(fù)載。在吸附系統(tǒng)中，吸附單元內(nèi)放置活性炭。吸附單元的直徑為31mm。活性炭的填充高度分別為2cm、4cm、6cm、8cm。將吸附裝置置于恒溫箱內(nèi)。吸附劑和吸附物的入口空氣保持在室溫。進(jìn)行了吸附劑在室溫下吸附吸附質(zhì)的脈沖加載實(shí)驗(yàn)。潔凈空氣通過干燥裝置后，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)將其按特定比例分成兩個(gè)通道。通過微注射泵將特定濃度的乙醇或二甲苯氣體注射到氣體中。另一種氣體用作稀釋氣體。兩種氣體流入緩沖室，完全混合后進(jìn)入恒溫箱。穩(wěn)定的氣體按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的濃度、流量和溫度進(jìn)入吸附單元。在通過吸附單元之前和之后測(cè)量乙醇或二甲苯的濃度。

　　圖1：活性炭緩沖脈沖​​負(fù)載測(cè)量裝置。

　　擴(kuò)散吸附等溫線及動(dòng)力學(xué)模擬分析

　　乙醇和二甲苯在活性炭上的吸附等溫線如圖2所示。觀察到乙醇在活性炭上的吸附率高于二甲苯。乙醇和二甲苯在活性炭上的吸附曲線初始線性斜率分別為0.0173和0.0028g/(g·h-1)，前者是后者的6.18倍。乙醇在空氣中更快的擴(kuò)散速率對(duì)應(yīng)于在活性炭中更高的擴(kuò)散速率，導(dǎo)致乙醇在活性炭中的傳質(zhì)更快，與從圖中得出的結(jié)論一致。

　　圖2：乙醇和二甲苯在活性炭上的吸附等溫線。

　　平衡吸附濃度對(duì)脈沖負(fù)載緩沖的影響

　　選擇平衡吸附濃度為200和400mg/m3的活性炭。截面風(fēng)速設(shè)定為0.3m/s。乙醇的脈沖濃度是原始平衡濃度的20倍。脈沖時(shí)間為2分鐘。不同活性炭床層高度、不同平衡吸附濃度下脈沖后出口濃度變化曲線如圖3所示。

　　圖3:不同平衡吸附濃度、不同活性炭床高度下脈沖后的出口濃度。

　　從圖3可以看出，當(dāng)在起點(diǎn)引入脈沖濃度的乙醇?xì)怏w時(shí)，碳床末端的出口濃度并沒有立即直接上升。出口濃度并沒有隨著乙醇?xì)怏w進(jìn)入的停止而迅速下降，而是表現(xiàn)出滯后效應(yīng)。顯然，檢測(cè)濃度在脈沖結(jié)束后呈拋物線上升，然后緩慢下降。

　　輸入負(fù)載分別為0.11和0.22g，而活性炭基于入口濃度的吸附勢(shì)分別為48.72g和14.56g。輸入負(fù)載小于活性炭的吸附勢(shì)。因此，活性炭對(duì)脈沖載荷具有一定的緩沖能力。此時(shí)，吸附速率超過解吸速率。當(dāng)引入脈沖氣體時(shí)，檢測(cè)濃度并沒有立即增加。高濃度乙醇?xì)怏w被活性炭吸附。當(dāng)停止攝入乙醇時(shí)，檢測(cè)濃度保持緩慢上升趨勢(shì)。這是因?yàn)椋��?dāng)引入清潔氣體時(shí)，進(jìn)氣濃度低于吸附在活性炭上的乙醇濃度。解吸速率開始超過吸附速率，導(dǎo)致解吸。活性炭中殘留的乙醇?xì)怏w和吸附在活性炭上的乙醇?xì)怏w隨著潔凈的氣體慢慢帶走。當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)，污染物分子大量解吸，導(dǎo)致檢測(cè)濃度下降。峰值濃度顯著低于脈沖濃度，這表明脈沖被緩沖。

　　當(dāng)平衡吸附濃度為400mg/m3時(shí)，不同炭床高度脈沖后釋放的濃度均高于200mg/m3。這表明平衡吸附濃度對(duì)脈沖后釋放濃度有影響。引入脈沖氣體并通過活性炭進(jìn)行緩沖。緩沖液基于吸附平衡活性炭的吸附勢(shì)。相同條件下，平衡濃度越大，吸附勢(shì)越小，溢流量越大。當(dāng)平衡吸附濃度為400mg/m 3時(shí)，脈沖后釋放的濃度高于200mg/m3。

　　空床接觸時(shí)間對(duì)脈沖負(fù)載緩沖的影響

　　乙醇作為吸附物。截面風(fēng)速設(shè)定為0.3m/s。飽和吸附濃度為200mg/m3。脈沖時(shí)間為2分鐘。脈沖倍數(shù)為20倍。通氣方式為正壓通氣。不同高度出口濃度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

　　圖4:不同空床接觸時(shí)間、不同活性炭床高度下脈沖后的出口濃度。

　　吸附床的空床接觸時(shí)間不同;即活性炭床的高度不同。在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)容器中，活性炭的用量是不同的。活性炭用量越大，吸附勢(shì)越大，與一定入口濃度平衡后脈沖負(fù)載的緩沖衰減能力越好。但活性炭用量越大，實(shí)際工程的成本和能耗也越大。因此，有必要尋找活性炭用量的最優(yōu)值，或者提出尋找活性炭最優(yōu)值的方法，以保證項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

　　空床接觸時(shí)間越大，碳床高度越高，脈沖后峰降低越明顯，峰時(shí)滯時(shí)間越長(zhǎng)。活性炭用量越大，脈沖后釋放的乙醇?xì)怏w濃度變化越小，緩沖衰減能力越強(qiáng)，吸附電位越大，對(duì)脈沖負(fù)載的緩沖衰減能力越好。

　　活性炭上非穩(wěn)態(tài)VOCs廢氣的處理，實(shí)際應(yīng)用中的生產(chǎn)過程呈現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)排放的特點(diǎn)。本研究在一定的進(jìn)氣濃度下將脈沖負(fù)載引入平衡活性炭中，以模擬非穩(wěn)態(tài)排放。初步研究了非穩(wěn)態(tài)排放條件下活性炭吸附緩沖的機(jī)理。準(zhǔn)確地描述了活性炭上乙醇和二甲苯吸附的動(dòng)態(tài)過程，表明孔擴(kuò)散是吸附過程中的速率決定步驟。空床接觸時(shí)間影響脈沖時(shí)間、脈沖倍數(shù)等因素，共同影響活性炭的緩沖衰減性能。隨著空床接觸時(shí)間的增加，緩沖性能也會(huì)提高。當(dāng)空床接觸時(shí)間為4cm時(shí)，代表最佳床高，R3為1.48。與極性VOC相比，具有化學(xué)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的非極性VOC表現(xiàn)出更慢的傳質(zhì)速率，從而導(dǎo)致活性炭具有更大的吸附容量和更好的緩沖性能。該研究有望為VOCs非穩(wěn)態(tài)排放更廣泛、更有效的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。此外，在建立合適的通用模型之前，未來仍需要大量的實(shí)驗(yàn)工作來研究VOCs非穩(wěn)態(tài)排放在活性炭吸附床上遷移和擴(kuò)散的原因。

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