活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭上非稳态VOCs废气的处理

　　目前，挥发性有机物(VOCs)排放主要集中在石油化工、包装印刷、印染纺织、涂料、精细化工等行业。在这些行业中，排放通常由高风量和低浓度VOC组成，并且一些行业表现出间歇性排放特征。在这项研究中，研究了活性炭上以非稳态排放的挥发性有机化合物的扩散、分离和缓冲。选择吸附能力和扩散速率差异较大的乙醇和二甲苯作为挥发性有机物的代表性目标污染物。本研究的重点是活性炭吸附对非稳态VOC的缓冲效应，特别是在预处理生物处理的背景下。非稳态流的存在显着影响生物处理设备的性能。活性炭的缓冲作用调节生物处理设备进气浓度，减弱生物处理进气波动。

　　实验装置和方法

　　动态吸附实验在室温(25℃)下进行。实验装置由气体分配系统和吸附系统两部分组成。吸附系统由恒温箱和吸附单元组成。检测口位于吸附系统之前和之后。动态法测定活性炭对脉冲负荷缓冲性能的装置如图1所示。本实验以乙醇或二甲苯为单一检测对象。气体分配系统包括风扇、干燥装置、转子流量计、微注射计量泵、加热器和缓冲室。使用FT-IR傅里叶气体分析仪作为测量设备。在气体分配系统中，在短时间内(2分钟和5分钟)，微注射计量泵的注射量迅速增加到原始体积的预定倍数(10倍和20倍)，以产生脉冲负载。在吸附系统中，吸附单元内放置活性炭。吸附单元的直径为31mm。活性炭的填充高度分别为2cm、4cm、6cm、8cm。将吸附装置置于恒温箱内。吸附剂和吸附物的入口空气保持在室温。进行了吸附剂在室温下吸附吸附质的脉冲加载实验。洁净空气通过干燥装置后，利用转子流量计将其按特定比例分成两个通道。通过微注射泵将特定浓度的乙醇或二甲苯气体注射到气体中。另一种气体用作稀释气体。两种气体流入缓冲室，完全混合后进入恒温箱。稳定的气体按照实验设定的浓度、流量和温度进入吸附单元。在通过吸附单元之前和之后测量乙醇或二甲苯的浓度。

　　图1：活性炭缓冲脉冲​​负载测量装置。

　　扩散吸附等温线及动力学模拟分析

　　乙醇和二甲苯在活性炭上的吸附等温线如图2所示。观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线初始线性斜率分别为0.0173和0.0028g/(g·h-1)，前者是后者的6.18倍。乙醇在空气中更快的扩散速率对应于在活性炭中更高的扩散速率，导致乙醇在活性炭中的传质更快，与从图中得出的结论一致。

　　图2：乙醇和二甲苯在活性炭上的吸附等温线。

　　平衡吸附浓度对脉冲负载缓冲的影响

　　选择平衡吸附浓度为200和400mg/m3的活性炭。截面风速设定为0.3m/s。乙醇的脉冲浓度是原始平衡浓度的20倍。脉冲时间为2分钟。不同活性炭床层高度、不同平衡吸附浓度下脉冲后出口浓度变化曲线如图3所示。

　　图3:不同平衡吸附浓度、不同活性炭床高度下脉冲后的出口浓度。

　　从图3可以看出，当在起点引入脉冲浓度的乙醇气体时，碳床末端的出口浓度并没有立即直接上升。出口浓度并没有随着乙醇气体进入的停止而迅速下降，而是表现出滞后效应。显然，检测浓度在脉冲结束后呈抛物线上升，然后缓慢下降。

　　输入负载分别为0.11和0.22g，而活性炭基于入口浓度的吸附势分别为48.72g和14.56g。输入负载小于活性炭的吸附势。因此，活性炭对脉冲载荷具有一定的缓冲能力。此时，吸附速率超过解吸速率。当引入脉冲气体时，检测浓度并没有立即增加。高浓度乙醇气体被活性炭吸附。当停止摄入乙醇时，检测浓度保持缓慢上升趋势。这是因为，当引入清洁气体时，进气浓度低于吸附在活性炭上的乙醇浓度。解吸速率开始超过吸附速率，导致解吸。活性炭中残留的乙醇气体和吸附在活性炭上的乙醇气体随着洁净的气体慢慢带走。当浓度达到一定值时，污染物分子大量解吸，导致检测浓度下降。峰值浓度显着低于脉冲浓度，这表明脉冲被缓冲。

　　当平衡吸附浓度为400mg/m3时，不同炭床高度脉冲后释放的浓度均高于200mg/m3。这表明平衡吸附浓度对脉冲后释放浓度有影响。引入脉冲气体并通过活性炭进行缓冲。缓冲液基于吸附平衡活性炭的吸附势。相同条件下，平衡浓度越大，吸附势越小，溢流量越大。当平衡吸附浓度为400mg/m 3时，脉冲后释放的浓度高于200mg/m3。

　　空床接触时间对脉冲负载缓冲的影响

　　乙醇作为吸附物。截面风速设定为0.3m/s。饱和吸附浓度为200mg/m3。脉冲时间为2分钟。脉冲倍数为20倍。通气方式为正压通气。不同高度出口浓度随时间变化曲线如图4所示。

　　图4:不同空床接触时间、不同活性炭床高度下脉冲后的出口浓度。

　　吸附床的空床接触时间不同;即活性炭床的高度不同。在同一个实验容器中，活性炭的用量是不同的。活性炭用量越大，吸附势越大，与一定入口浓度平衡后脉冲负载的缓冲衰减能力越好。但活性炭用量越大，实际工程的成本和能耗也越大。因此，有必要寻找活性炭用量的最优值，或者提出寻找活性炭最优值的方法，以保证项目的经济性和有效性。

　　空床接触时间越大，碳床高度越高，脉冲后峰降低越明显，峰时滞时间越长。活性炭用量越大，脉冲后释放的乙醇气体浓度变化越小，缓冲衰减能力越强，吸附电位越大，对脉冲负载的缓冲衰减能力越好。

　　活性炭上非稳态VOCs废气的处理，实际应用中的生产过程呈现出非稳态排放的特点。本研究在一定的进气浓度下将脉冲负载引入平衡活性炭中，以模拟非稳态排放。初步研究了非稳态排放条件下活性炭吸附缓冲的机理。准确地描述了活性炭上乙醇和二甲苯吸附的动态过程，表明孔扩散是吸附过程中的速率决定步骤。空床接触时间影响脉冲时间、脉冲倍数等因素，共同影响活性炭的缓冲衰减性能。随着空床接触时间的增加，缓冲性能也会提高。当空床接触时间为4cm时，代表最佳床高，R3为1.48。与极性VOC相比，具有化学对称结构的非极性VOC表现出更慢的传质速率，从而导致活性炭具有更大的吸附容量和更好的缓冲性能。该研究有望为VOCs非稳态排放更广泛、更有效的应用提供理论基础。此外，在建立合适的通用模型之前，未来仍需要大量的实验工作来研究VOCs非稳态排放在活性炭吸附床上迁移和扩散的原因。

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