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空气湿度对低浓度有机蒸气在活性炭上吸附平衡的影响

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第22卷第2期 2002年3月 环境科学学报 Vol 22,No.2 Mar .2002 ACTA SCIEN nAE CIRCUMST^NTIAE 中朋分粪号:1 28.1 文 标识冉:^ 文章■号:0253.0榔(2002).02-0194 ̄)5 空气湿度对低浓度有机蒸气在活性炭上吸附平 衡的影响 高华生’,汪大犟’,叶芸春 ,谭天恩 (t浙江大学环境工程研究所.杭州3t呻玎.2_镇湃炼油 化工股份有限公司.宁披315.2'07) 擅■:采用吸附柱穿遗 线祛测定了∞℃不同相对湿度【RH)下4种低浓度有机燕气(VOC)在活性炭上的等祖吸附量.结果 表明.水燕 对VOC吸附平衡的抑制作用.随着RH的增大、VOC浓度的降低而增大.且随着VOC分子扳性的增强而有所增 大IVOC对水燕 哑附平衡的抑射作用,随着VOC分子扳性的增强而有所减弱提出一个基于竞争吸附机理的N蜘lv1.Dubi一 n方程,解释空气温度对低{盘度VOC在活性擞上吸附平衡的影响 关■儡:有机废气;活性炭;暖附平衡;水燕汽{报对湿度;吸附势理论 The influence of atmospheric humidity on the adsorption capacity of acti- rated carbon for low—concentration VOCs GAO Huasheng1WANG Dahui ,YE Yunch .,TAN TianenI(1.h e E mnenlⅡl E Ⅱ ng,啦i E Uzifve*s时,} hoIl 310027:2 eIL Refmi ̄&Chemical Co Ltd,Ni, ̄bo 315207) 口廿吐I硼V( s(benzene. u帆e, f册u and删∞w)『m aot ̄mtd-ecmbo,a—dvter- Ahh'd:Binm3, 0 d∞口F ∞ 4 I一…m ̄ned I1日ing c um口mvthed at∞℃und htm ̄d condiitons(RH=0—100%)R搠山s】lo帅that e de eB由n d I of帅啪印h e hu蜘i哪蚰d 丑a唧 0Tl 6 I u】 VO inc ̄ed  in啪 Rl{and decre商 …Ⅱ口a n VOc且and 8e 砷ato htere ̄ vapor, whiehthe  ̄ottrity Vocmol ̄m 1lIe ad ̄m'#oa ofVOCs山0 cal1sed山e deca'e ̄of 日邮 『m u砷岫 咖VOCs wiaa wsak ̄P0l且ri峥seemed to have粤叫t日iufluvnee than t]mt wj 日咖 pottrity.A TBech 8m the eompetltivc adB0fpIi帅based 帆pottmlal出eo 恤pmP曲。d to。甲l n the birmry Ke ̄:VOCs;act ̄*ated carbo ̄; b um VOCs and wm啊vapor 挝L— lh。q 血 m;water vapor;rdath'e humid; ̄y:p 活性炭吸附法用于低浓度有机废气的治理,具有脱除率高、回收方便等优点.废气中往往 混有水蒸汽,致使吸附塔的工作效率降低、运行成本增加,有机溶剂的回收效率下降. 在活性炭上,VOC的吸附等温线一般呈指数函数曲线,可以用Polanyi.Dubinin方程来关 联…;水蒸汽的吸附等温线呈S形曲线.VOC.水蒸汽混合物在活性炭上的二元吸附是一个典 型的非相似体系.水蒸汽的存在导致VOC的平衡吸附量减小,其抑制作用随着水蒸汽浓度的 增大和VOC浓度的降低而增大.一定相对湿度下,VOC的吸附等温线仍然可用P。hnyi.Dubinin 方程来描述 J. 在低浓度有机废气,活性炭吸附体系中,水蒸汽的蒸汽压远远高于VOC,2种蒸气的吸附 特性相差很大,使得其二元吸附平衡非常复杂.研究水蒸汽对有机蒸气(voc)在活性炭上吸附 平衡的抑制效应,可为不同空气湿度条件下活性炭吸附塔的设计、运行、操作提供理论依据. 收稿日期:2000-12—07}謦订日期:2001.104)1 怍者■介:高华生(1965一),男、博士(E.m矾: 棚2@ …)联系^:谭天恩 维普资讯 http://www.cqvip.com

2期 高华生等:空气湿度对慨浓度有机蒸气在活性炭上吸甜平衡的影响 195 1实验 采用吸附柱穿透曲线法来测定二元吸附体系的平衡吸附量(装置流程见图1) 由针筒注射泵(流量在0__99.9 mL/h范围内可调)注入的吸附质(分析 纯有机试剂和去离子水)在温度约 150 的汽化器(35 mm×450 mm)中汽 化后、与载气(纯度大于99.9%的氯 气)混合均匀,配成含rOE.水蒸汽的试 验气,经恒温槽(30±0.5 )内盘管玲 却,进入带有水夹套的玻璃管吸附柱 1氮气2干燥管3.转子巍量计4汽化嚣5.电热带6 幄控器7 针 筒注射泵8疆冲鼍9恒温水搭(12mm×300ⅡIIn).试验气的相对湿度 ID.幄度控制嚣11循环泵l2水央 (RH)与VOC浓度可通过调节注射泵 流量和载气流量进行控制.在吸附柱的 套I3.玻璃棉l4盒属筛网15.玻璃璩l6活性擞柱17.u型利压计 田1 ̄¥oc-木薰汽,话性炭=元平衡嘎’fI量 定试t羹■ Fig,1 be盯 c B印帅ofthe印p丑r岫forthe binary a ̄PInke日of the VOC-wn盱 印0r on aotiva ̄ ̄arbo ̄ orl 进口和出口装有玻璃珠、玻璃棉和不锈 钢丝网,以减少径向速度分布并防止吸 附剂床层流化或吹动. 活性炭(20—50目不规则颗粒)经筛分、水洗后,在220℃下连续活化48 h,然后在干燥瓶内 降至室温并放置10 h左右至恒重,称量后装填吸附柱;实验开始前,先通人纯净、干燥的氮气 约30mln,以置换出活性炭在称量和装柱过程中可能吸附的水分. 将吸附柱出口气体分流一部分到氢焰离子检测器(FIB),从记录仪上直接得到VOC的穿 透曲线,并由此计算其平衡吸附量qvoc;通过试验前后活性炭的称量质量得到总吸附量q.,水 蒸汽的平衡吸附量q 为口 与q 。 之差;VOC的相对吸附量 是一定RH下V0C的平衡吸附 量与RH=0时的平衡吸附量之比. 2结果 2.1 VOC的平衡吸附量 将30 ̄C不同RH下,苯、甲苯、三氯甲烷和丙酮等4种VOC在活性炭上的平衡吸附量qv0c 绘于图2中,其相对吸附量 绘于图3中, 从图2中可见,水蒸汽对VOC的吸附平衡具有显著的抑制作用,并随着VOC浓度降低而 增大,说明空气湿度对低浓度有机废气吸附平衡的影响较大.当RH≤3O%时,抑制作用较小、 可以忽略不计;当RH≥30%时,尤其是当RH=5o%—80%时,抑{隹I作用增强;当RH=8O%一 100%时,抑制作用的增加速度减缓.VOC平衡吸附量的减小幅度,与该RH下水蒸汽在活性炭 上的单组分平衡吸附量成正比. 苯、甲苯、三氯甲烷和丙酮荨4种VOC的极性依次增强,从图3中可见,除甲苯饲外,水蒸 汽对VOC吸附的抑制作用依次增大,说明由于水分子层的覆盖,活性炭孔隙的非极性表面对 极性较强VOC的吸附亲和力更小,表现为非极性VOC受到RH的影响较小,这一现象有待进 一步研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com

196 环 境 科 学 学 报 22卷 0I3 一52 —ol卜3208m8m 4 一453mEm- 一2065mgm-’ —坠l332m|Ⅲ.j _一263m -|  ̄2434mg-m‘’ 4-1072mg-m"’ -=-3514mBm’—02  :~ 、 . : — : 1 B-m。。 —一3294mB-m"’ 二== 01 —~、、。 相财锟度。% =:— — ~ —j == == 圈2 VOC一水蒸汽,看性炭二元暇附悼蕞中VOC的平衡暧附■ g.2 Tbe eds ̄rption uptakes ot"v0“_Ⅷ ∞ D in binarysystem .一 . ~ \ , 一 甲苯 ~3514mgm-’ 三蕾甲烷\\鼍 \\ ・ 3294m,s . = 譬 .一—一4一250635mmg-gm.m~。.’ ・ — 一l一24332 ̄mEg.-Ⅲm。 ’ ~ 一.。一1 072m8m。、口 —^一3208mg-m -- ̄4691mBm"’-—. 相对湿度,% 圈3 VOC-水蒸汽,看性炭二元暇附悼幕中VOC的相对暧附■ Fig 3 The relatlve ad ̄rp'ifon 0f V0C…l a伸j em'bon in bineu ̄吣目 2.2水蒸汽的平衡吸附量 在VOC.水蒸汽,活性炭二元吸附体系中,水蒸汽的吸附等温线随VOC种类和浓度的变化 如图4所示,无极性的苯和弱极性的甲苯对水蒸汽吸附平衡的抑制作用大于极性较强的三氯 甲烷和丙酮,说明极性弱的VOC分子与活性炭孔隙表面的亲和力较大,因而对水蒸汽吸附的 影响较大、使其平衡吸附量降低 甲苯 三氯甲靛 . 一丙蛋 …‘。一二== 一 . 2010 I ̄g-m r 一 a。。。一0mg-m"’.一/,  ̄- 2 065 m g.m" ;僻 0mB-m"’ : ,. -一 ̄一2l 63mg ,mm-3;/。.; 一, . — 相埘盎厦,% 圈4 VOC.水蒸汽/活性炭二元啜附体系中水蒸汽柏寰带等量最 F培4 The ad吣 p6町IjB 咖 waterw 盯_m l Ⅵ『 d删 in binary"町Blef 2.3总吸附量 在VOC・水蒸汽,活性炭二元吸附体系中,总吸附量口 随RH和VOC浓度的变化如图5所 示.一定VOC浓度下,q.随RH的增大而增大;随着VOC浓度的提高,这种变化有越来越小的 维普资讯 http://www.cqvip.com

2期 高华生等:空气湿度对低浓度有机蒸气在话性炭上吸附平衡的影响 趋势.这一现象说明,对于低浓度V0C在活性炭上的吸附过程,水蒸汽的吸附占优势地位;低 浓度有机废气吸附时,空气湿度的抑镪作用格外显著. 0ms.m-’ 一 堇 甲苯 一三氯甲端 r|丙酮 … 。0{ .—。~524mgm  ̄2010m m 3208mgm 一=:品 , .一--一. ̄l3m3g2.mg-J.n 一2‘34mg-m 一…O-o-26mgm3mg .m ̄ 一10721ng-m ̄ 函 O 2 兰 !=S:= . 耋竺 孝 / -===: … :相对程度.% 圈5 VOC.木蒸汽,话性炭二元吸耐体蕞的总暇附■ Fig 5 The t ad ̄rptioa lI【 自 actlvaled carbon in binary sy.tems 3讨论 3.1水蒸汽抑制作用的机理 大部分活性炭具有憎水性,但由于水蒸汽比VOC具有较高的相对压力和较小的分子 量 。 ,水蒸汽更容易扩散、被活性炭柱优先吸附,用热导检测器得到的吸附柱出口气体浓度测 定结果表明,水蒸汽比VOC先穿透吸附柱、并在其穿透曲线上留下一个最高点.因此.在VOC. 水蒸汽/活性炭二元竞争吸附中,水蒸汽的吸附占据主导地位. VOC.水蒸汽/活性炭上的二元吸附平衡可简化为以下两个步骤:(1)水蒸汽在活性炭上梭 优先吸附;(2)VOC在已经吸附了水蒸汽的活性炭上吸附、取代出部分水分. 按此物理模型,优先吸附的水蒸汽从以下两个方面改变了吸附剂的性质,从而对VOC的 吸附平衡产生不利影响:第一、占据一定的孔隙体积,使得活性炭有效吸附体积减小 :第二、 改变了活性炭孔隙表面的特性,降低了表面对VOC的吸附亲和力. 3.2二元吸附平衡的描述 吸附势理论的Polanyi—Dubinin方程可以描述单组分有机吸附质在活性炭的吸附平衡 ]: = expl一 (E,p) J E=RTIn(P/Po) (1) (2) 式中, 和 分别为活性炭上吸附质的体积和最大吸附体积,c ・g- ; 为反映活性炭孔隙 表面和结构特性的参数,(J・mol )~;e为一定浓度下吸附质的吸附势,J・mol~;口为有机吸附 质的相对亲和力系数,P和 分别为吸附质的蒸气压和饱和蒸气压,Pa. 采用单组分Polanyi.Dubinin方程,可以通过有机吸附质的相对亲和力系数口,从一种参照 VOC的吸附平衡,计算其它VOC的吸附等温线 ]. 基于对水蒸汽对VOC吸附平衡抑制机理的探讨和分析,可以修正Polanyi.Dubinin方程以 描述不同RH下VOC在活性炭上的吸附特性曲线 ]: P:[ 。一^P ]exp[一kB(e,p) ] 式中, (3) 为一定RH下水蒸汽的单组分平衡吸附量,cm ・g~;修正系数A和B的物理意义可 以解释为:A表示VOC对水蒸汽吸附平衡的抑制作用,随着VOC的浓度增加而减小; 表示 RH对活性炭孔隙表面和结构特性的影响,随着RH的增大而增大. 维普资讯 http://www.cqvip.com

198 环 境 科 学 学 报 22卷 采用修正的Polanyi—Dubinin方程式,可从一种VOC吸附平衡受RH的影响情况,来计算其 它VOC在不同RH下的吸附平衡 . 4结论 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (1)水蒸汽对VOC在活性炭上吸附平衡的抑制作用,随着VOC浓度的增加而减小,对低浓 度VOC的影响非常显著;随着RH的增大而增大,在RH≥50%时,抑制作用显著增强.水蒸汽 的存在对强极性VOC吸附平衡的影响较大. (2)VOC对水蒸汽在活性炭上吸附平衡的抑制作用,随VOC浓度的增大和RH的降低而 增大;弱极性VOC对水蒸汽吸附平衡的影响较大. (3)水蒸汽的先行吸附导致活性炭有效吸附体积的减小和表面特性的改变,从而对VOC 的吸附产生不利影响.基于竞争吸附机理晦修正的Polanyi.Dubinin方程,可以解释空气湿度对 低浓度有机蒸气在活性炭上吸附平衡的抑制作用. 参考文■ Ruthvc ̄t DM.I iple 幽r _帅&幽rpIi叻process[M]Canada:JohnWiley&Sons,bl8.1983 Reuem ̄P J.Mixed vspor ad ̄on Im ̄livated 口[A].h:M”A L,Belfort G(ed*.)Fundamentals of P卫0oee出“ 衄 啪 founda ̄on c【珈‘一e[c].N Y0rk: ne叮i F0und 叻,1984.471—480 Wecn ̄rM D・The efect of relativelatmidJly outhe vapor phase rpt IdtrJehlomthyl ̄ aeti ̄ted rb【埘[ Amlnd Hyg A—J,1985 (10):5 一590 盒国杰・樊惠玲,上官炬,等活性炭对二硫化碳和水的共吸附动力学行为的热重研究[J].环境科学学报,1999.19 (4):379—384 羹惠琦,盒国杰.上官炬,等.水气氛下活性炭固定床对二硫化碳的嗳附动力学行为[J]环境科学学报,1999.19(5): 4R‘卜_493 Doong S J,Yang R T A咖lple potenlial Lbe。 model for pred ̄rtiag mixed-g ̄s日d 呷ti0rI[J] Ind En8 Citem 日,1988,27(4). 6a0—635 Dubinln M M The pcleafdsl 唧0f sd ̄orption 0f日4B and P。 far adsorbents with en 血a non-tmiif ̄-m叭l 髂[J] chem R .196o,60(2).235--241 枉大晕,Sign T.Noll K E活性炭上吸附平衡的三种预撞I方{岳比较[J]化工学报,1989,40(6):655---663 高华生.空气湿度对括性炭吸附艘卓的影响[D].新江大学硕士学位论文.1991 高华生,汪太晕,叶菩春,等用Pck 一I)ubinln方程描述有机蒸汽一术蔫汽在括性炭上吸附平衡[ .化工学报,2001、 (4);3”一m 

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