活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭上非穩態VOCs廢氣的處理

　　目前，揮發性有機物(VOCs)排放主要集中在石油化工、包裝印刷、印染紡織、涂料、精細化工等行業。在這些行業中，排放通常由高風量和低濃度VOC組成，并且一些行業表現出間歇性排放特征。在這項研究中，研究了活性炭上以非穩態排放的揮發性有機化合物的擴散、分離和緩沖。選擇吸附能力和擴散速率差異較大的乙醇和二甲苯作為揮發性有機物的代表性目標污染物。本研究的重點是活性炭吸附對非穩態VOC的緩沖效應，特別是在預處理生物處理的背景下。非穩態流的存在顯著影響生物處理設備的性能。活性炭的緩沖作用調節生物處理設備進氣濃度，減弱生物處理進氣波動。

　　實驗裝置和方法

　　動態吸附實驗在室溫(25℃)下進行。實驗裝置由氣體分配系統和吸附系統兩部分組成。吸附系統由恒溫箱和吸附單元組成。檢測口位于吸附系統之前和之后。動態法測定活性炭對脈沖負荷緩沖性能的裝置如圖1所示。本實驗以乙醇或二甲苯為單一檢測對象。氣體分配系統包括風扇、干燥裝置、轉子流量計、微注射計量泵、加熱器和緩沖室。使用FT-IR傅里葉氣體分析儀作為測量設備。在氣體分配系統中，在短時間內(2分鐘和5分鐘)，微注射計量泵的注射量迅速增加到原始體積的預定倍數(10倍和20倍)，以產生脈沖負載。在吸附系統中，吸附單元內放置活性炭。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。吸附劑和吸附物的入口空氣保持在室溫。進行了吸附劑在室溫下吸附吸附質的脈沖加載實驗。潔凈空氣通過干燥裝置后，利用轉子流量計將其按特定比例分成兩個通道。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，完全混合后進入恒溫箱。穩定的氣體按照實驗設定的濃度、流量和溫度進入吸附單元。在通過吸附單元之前和之后測量乙醇或二甲苯的濃度。

　　圖1：活性炭緩沖脈沖​​負載測量裝置。

　　擴散吸附等溫線及動力學模擬分析

　　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散速率對應于在活性炭中更高的擴散速率，導致乙醇在活性炭中的傳質更快，與從圖中得出的結論一致。

　　圖2：乙醇和二甲苯在活性炭上的吸附等溫線。

　　平衡吸附濃度對脈沖負載緩沖的影響

　　選擇平衡吸附濃度為200和400mg/m3的活性炭。截面風速設定為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，當在起點引入脈沖濃度的乙醇氣體時，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氣體進入的停止而迅速下降，而是表現出滯后效應。顯然，檢測濃度在脈沖結束后呈拋物線上升，然后緩慢下降。

　　輸入負載分別為0.11和0.22g，而活性炭基于入口濃度的吸附勢分別為48.72g和14.56g。輸入負載小于活性炭的吸附勢。因此，活性炭對脈沖載荷具有一定的緩沖能力。此時，吸附速率超過解吸速率。當引入脈沖氣體時，檢測濃度并沒有立即增加。高濃度乙醇氣體被活性炭吸附。當停止攝入乙醇時，檢測濃度保持緩慢上升趨勢。這是因為，當引入清潔氣體時，進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，導致解吸。活性炭中殘留的乙醇氣體和吸附在活性炭上的乙醇氣體隨著潔凈的氣體慢慢帶走。當濃度達到一定值時，污染物分子大量解吸，導致檢測濃度下降。峰值濃度顯著低于脈沖濃度，這表明脈沖被緩沖。

　　當平衡吸附濃度為400mg/m3時，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脈沖后釋放濃度有影響。引入脈沖氣體并通過活性炭進行緩沖。緩沖液基于吸附平衡活性炭的吸附勢。相同條件下，平衡濃度越大，吸附勢越小，溢流量越大。當平衡吸附濃度為400mg/m 3時，脈沖后釋放的濃度高于200mg/m3。

　　空床接觸時間對脈沖負載緩沖的影響

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

　　圖4:不同空床接觸時間、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間不同;即活性炭床的高度不同。在同一個實驗容器中，活性炭的用量是不同的。活性炭用量越大，吸附勢越大，與一定入口濃度平衡后脈沖負載的緩沖衰減能力越好。但活性炭用量越大，實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值，或者提出尋找活性炭最優值的方法，以保證項目的經濟性和有效性。

　　空床接觸時間越大，碳床高度越高，脈沖后峰降低越明顯，峰時滯時間越長。活性炭用量越大，脈沖后釋放的乙醇氣體濃度變化越小，緩沖衰減能力越強，吸附電位越大，對脈沖負載的緩沖衰減能力越好。

　　活性炭上非穩態VOCs廢氣的處理，實際應用中的生產過程呈現出非穩態排放的特點。本研究在一定的進氣濃度下將脈沖負載引入平衡活性炭中，以模擬非穩態排放。初步研究了非穩態排放條件下活性炭吸附緩沖的機理。準確地描述了活性炭上乙醇和二甲苯吸附的動態過程，表明孔擴散是吸附過程中的速率決定步驟。空床接觸時間影響脈沖時間、脈沖倍數等因素，共同影響活性炭的緩沖衰減性能。隨著空床接觸時間的增加，緩沖性能也會提高。當空床接觸時間為4cm時，代表最佳床高，R3為1.48。與極性VOC相比，具有化學對稱結構的非極性VOC表現出更慢的傳質速率，從而導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非穩態排放更廣泛、更有效的應用提供理論基礎。此外，在建立合適的通用模型之前，未來仍需要大量的實驗工作來研究VOCs非穩態排放在活性炭吸附床上遷移和擴散的原因。

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