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    1. 有機廢氣凈化(溶劑回收)技術——活性炭纖維吸附回收技術

      發布時間:2019-01-12 14:39            

      一、吸附原理

      吸附劑具有高度發達的孔隙構造,其中有一種被叫做毛細管的小孔,毛細管具有很強的吸附能力,同樣發達的孔隙構造也意味著吸附劑有著很大的表面積,使氣體(雜質)能與毛細管充分接觸,從而被毛細管吸附。當一個分子被毛細管吸附后,由于分子之間存在相互吸引力的原因,會導致更多的分子不斷被吸引,直到添滿毛細管為止。

      必須指出的是,不是所有的微孔都能吸附有害氣體,這些被吸附的雜質的分子直徑必須是要小于活性炭的孔徑,即只有當孔隙結構略大于有害氣體分子的直徑,能夠讓有害氣體分子完全進入的情況下才能保證雜質被吸附到孔徑中,過大或過小都不行。所以需要通過不斷地改變原材料和活化條件來創造具有不同的孔徑結構的吸附劑,從而適用于各種雜質吸附的應用。

      吸附劑在活化過程中,巨大的表面積和復雜的孔隙結構逐漸形成,吸附劑的孔隙的半徑大小可分為:大孔半徑>20000nm;過渡孔半徑150~20000nm;微孔半徑<150nm。

      二、吸附劑

      活性炭是一種含碳材料制成的外觀呈黑色,內部孔隙結構發達,比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料,是一種常見的吸附劑、催化劑或催化劑載體。

      活性碳分為粒狀活性碳、粉末活性碳及活性碳纖維,但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生而被限制利用。

      粒狀活性碳(GAC-granular activated carbon)一般為直徑在0.42 -0.85毫米之間的圓柱狀顆粒,理論上講粒狀活性炭產品顆粒越小,接觸空氣面積就越大,比表面積也越大,吸附性能就越好,但是顆粒越小,粉碎制作過程中損耗也越大,粉塵也越多,成本也就越高,所以很多廠家為降低成本,使用大顆?;钚蕴?,性能當然不好,一般顆粒大小在0.5毫米左右的活性炭既達到了最佳性能,又確保不是粉末,沒有污染。GAC的孔結構一般是具有三分散態的孔分布,既具有按IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)分類的孔徑大于50nm的大孔,也有2.0~50nm的中孔(過渡孔)和小于2.0nm的微孔。但是由于GAC的孔狀結構、孔徑分布等原因,它的吸附速度較慢,分離率不高,特別是它的物理形態使其在應用和操作上的有諸多不便,GAC的應用范圍收到了限制。

      活性碳纖維(ACF)是繼粉狀與粒狀活性碳之后的第三代活性碳產品。70年代發展起來的活性碳纖維是隨著碳纖維工業發展起來的一種新型、高效的吸附劑。其最顯著的特點是具有發達的比表面積(1000㎡/g~3000㎡/g)和豐富的微孔,微孔的體積占總孔體積的90%以上,微孔直徑約10Angstrom(1 Angstrom =1×10-10m)左右,故其有很強的吸附能力。

      與傳統的粒狀活性碳(GAC)相比,ACF具有以下特點:

      1、ACF與GAC的孔結構有很大的差異,如圖1和圖2所示。ACF的孔分布基本上呈單分散態,主要由小于2.0nm的微孔組成,且孔口直接開口在纖維表面,其吸附質到達吸附位的擴散路徑短,纖維直徑細,故與被吸附物質的接觸面積大,增加了吸附幾率,且可均勻接觸。

      2、比表面積大,最大可達2500㎡/g,約是GAC的10~100倍;吸附容量大,約是GAC的1.5~100倍;吸附能力為GAC的400倍以上;吸附、脫附速度快,ACF對氣體的吸附數10秒至數分鐘可達平衡。

      3、孔徑分布范圍窄,絕大多數孔徑在100 Angstrom(1 Angstrom =1×10-10m)以下,GAC的內部結構有微孔、過渡孔和大孔之分,而ACF的結構只有微孔及少量的過渡孔,沒有大孔,并且孔徑均勻,分布比較狹窄,為0.1~1nm,這是ACF吸附選擇性較好的原因。

      4、ACF不僅對高濃度吸附質的吸附能力明顯,對低濃度吸附質的吸附能力也特別優異,如當甲苯氣體含量低到10ppm(1ppm=1×10-6,即百萬分之一,以下同)以下時,ACF還能對其吸附,而GAC必須高于100ppm時方能吸附。

      5、耐熱、耐酸堿;具有很強的氧化還原特性,可將高價金屬離子還原為低價態。

      6、體積密度小,濾阻小,約是GAC的1/3??晌秸扯容^大的液體物質,且動力損耗小。

      而且ACF易再生,工藝靈活性大(可制成紗、布、氈或紙等多種制品);以及不易粉化和沉降等特征,這些特征有利于吸附和脫附,使得ACF對各種有機化合物具有較大的吸附量和較快的吸、脫附速度。

      吸附劑的吸附性能由吸附劑的比表面積、吸附劑的孔隙直徑來決定,其吸附性能的值log[(C0-C)/C]可由下式計算求得:

      log[(C0-C)/C]=0.0064S-0.123D-0.935

      式中:C0—初始濃度;

      C—平衡濃度;

      S—吸附劑的比表面積(㎡/g);

      D—吸附劑的孔隙直徑(nm)。

      由上式可見,吸附劑的比表面積越大吸附能力也越大,吸附劑的孔隙直徑越小所具有的吸附能力就越大。

      三、再生

      活性炭纖維再生脫附的幾種方法:

      (1)升溫脫附。

      物質的吸附量是隨溫度的升高而減小的,將吸附劑的溫度升高,可以使已被吸附的組分脫附下來,這種方法也稱為變溫脫附,整個過程中的溫度是周期變化的。微波脫附是由升溫脫附改進的一種技術,微波脫附技術已應用于氣體分離、干燥和空氣凈化及廢水處理等方面。在實際工作中,這種方法也是最常用的脫附方法。

      (2)減壓脫附。

      物質的吸附量是隨著壓力升高而升高的,在較高的壓力下吸附,降低壓力或者抽真空,可以使吸附劑再生,這種方法也稱為變壓吸附。此法常常用于氣體脫附。

      (3)沖洗脫附。

      用不被吸附的氣體(液體)沖洗吸附劑,使被吸附的組分脫附下來。采用這種方法必然產生沖洗劑與被吸附組分混合的問題,需要用別的方法將它們分離,因此這種方法存在多次分離的不便性。

      (4)置換脫附。

      置換脫附的工作原理是用比被吸附組分的吸附力更強的物質將被吸組分置換下來。其后果是吸附劑上又吸附了置換上去的物質,必須用別的方法使它們分離。例如,活性炭纖維對Ca2+、Cl-有一定的吸附能力,這些離子占據了吸附活性中心,可對活性炭纖維吸附無機單質或有機物產生不利影響。因此,用活性炭纖維吸附待分離溶液中的物質后,選用CaCl2作為脫附劑可降低活性炭纖維對吸附質的吸附穩定性,從而達到降低脫附活化能的目的。

      (5)磁化脫附。

      由于單分子水的性質比簇團中的水分子活潑得多,能充分顯示它的偶極子特性,從而使水的極性增強。預磁處理能增大水的極性,這就能充分解釋經過預磁處理后活性炭纖維的吸附容量減小的現象。當磁場強度增大時,分離出的單個水分子越多,則阻礙作用就越大,從而吸附容量減小得也就越多?;钚蕴坷w維本身為非極性物質,活性炭纖維的表面由于活化作用而具有氧化物質,且吸附劑是在濕空氣條件下活化而成,它使活性炭纖維的表面氧化物質以酸性氧化物占優勢,從而使活性炭纖維具有極性,能夠吸附極性較強的物質。由于這些帶極性的基團易于吸附帶極性的水,從而阻礙了吸附劑在水溶液中吸附非極性物質。這種方法常用于溶液中對吸附質的脫附。

      (6)超聲波脫附。

      超聲波(場)是通過產生協同作用來改變吸附相平衡關系的,在超聲波(場)作用下的吸附體系中添加第三組分后,體系相平衡關系朝固相吸附量減少方向移動的程度大于在常規條件下的吸附體系。根據超聲波的作用原理推測,可能是因為第三組分改變了流體相的極性,增加了空化核的表面張力,使得微小氣核受到壓縮而發生崩潰閉合周期縮短的現象,從而產生更強烈的超聲空化作用。因此,在用活性炭纖維吸附待分離溶液中的物質后,可以用超聲波(場)產生協同作用來改變吸附相平衡關系,降低活性炭纖維對吸附質的吸附穩定性,從而達到降低脫附化能的目的。

      四、活性炭纖維吸附回收裝置

      裝置組成:

      1、預處理部分:預先除去進氣中的固體顆粒物及液滴,并降低進氣溫度(如有必要);

      2、吸附部分:通常采用2~3個吸附器并聯或串聯;

      3、吸附劑再生部分:水蒸氣脫附有機組分,干燥風機吹掃降溫使活性炭纖維再生;

      4、溶劑回收部分:不溶于水的溶劑可與水分層,易于回收、水溶性溶劑需采用精餾法回收;對處理量小的水溶性溶劑也可與水一起摻人煤炭中送鍋爐燒掉。

      裝置工藝:

      1、預處理—吸附:有機廢氣經風機加壓,然后經過預處理后進入吸附器,廢氣中的有機組分穿透活性炭纖維吸附層時被吸附,而凈化后的氣體由吸附器頂部排出。

      2、脫附—再生:裝置采用水蒸氣為脫附劑,脫附蒸汽由吸附器頂部進入,穿透活性碳纖維氈層,將被吸附濃縮的有機物脫附出來并帶入冷凝器。脫附后需要由干燥風機或二級吸附風機向吸附器內吹掃,使碳纖維吸附床層迅速降溫,以便再次吸附。

      3、冷凝回收:脫附蒸汽與有機物的混合蒸汽經過冷凝器冷凝,有機物和不凝氣的混合物流入分層槽,通過重力沉降分離,達到回收有機物的目的,分離后的水排放至廠方污水系統集中處理后排放,不凝氣回到風機前再次進入吸附器吸附。

      4、裝置一般有二到四個吸附器組成,由自動控制系統控制吸附器輪流切換以上工藝動作。

      技術特點:

      1、工藝設計合理,根據工況合理配置吸附器規格和吸附劑裝填量,充分吸收尾氣中的有機溶劑,吸附容量大,吸附再生速度快,系統吸附效率高。

      2、積累多年設計和制造經驗,系統化防爆設計和安全節點監控,嚴格的產品質量保證體系,確保設備本質安全,滿足化工生產場所的苛刻要求。

      3、吸附是物理過程,分離溫度低,回收的有機物組分不變,可以直接回用生產,凈化空氣的同時獲得較高的經濟效益。

      4、采用德國西門子PLC控制,集成電磁閥、氣動元件執行動作,系統自動化程度高,性能可靠,無人值守運行。設計有運行參數優化程序,大幅降低蒸汽和用電耗量,為客戶節省運行費用。

      5、設備結構緊湊,占地面積小,操作方便,便于維護,配套工程投資少。為保證客戶其他工藝過程和吸附裝置安全運行,配備有事故緊急排放通道和動力電源、壓縮空氣突發故障情況下的安全設計。

      6、設備使用壽命長、投資回報期短,根據客戶工況參數不同一般在10~18月內可收回設備投資。

      適用行業:

      石油化工、農藥、涂布、涂裝、特種纖維、人造革、制藥、印刷、汽車部件、電子、電子元件、橡膠、塑膠、釀造、化學試驗室等。

      可回收的有機物種類:

      1、烴類:苯、甲苯、二甲苯、n-乙烷、溶劑油、石腦油、重芳烴、碳氫清洗劑等。

      2、鹵烴:三氯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烷、二氯甲烷、氯苯、三氯甲烷、四氯化碳等。

      3、酮類:丙酮、丁酮、甲基異丁酮、環己酮等。

      4、酯類:乙酸乙酯、乙酸丁酯、油酸乙酯等。

      5、醚類:二氧雜環己烷、THF、糠醛、甲基溶纖劑等。

      6、醇類:甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇等。

      7、聚合用單分子物體:氯乙烯、丙烯酸、丙烯酸酯、醋酸乙烯等。

      適用于:

      1、印刷企業乙醇、乙酸乙酯回收(油墨添加劑、稀釋劑、因后處理膠黏劑的添加劑和稀釋劑)

      2、化工行業氯仿、氯苯回收(化工原料、萃取劑、溶劑、清洗劑)

      3、紡織企業甲苯、碳氫清洗劑回收(萃取劑、清洗劑)

      4、食品添加劑企業甲苯、氯苯回收(化工原料、溶劑)

      5、雙氧水行業重芳烴回收(化工原料)

      6、膠帶企業汽油、溶劑油、甲苯回收(膠黏劑稀釋劑)

      來源:環保之家論壇

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