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【废气】有机废气净化(溶剂回收)技术---活性炭纤维吸附回收技术

一、吸附原理

吸附剂具有高度发达的孔隙构造,其中有一种被叫做毛细管的小孔,毛细管具有很强的吸附能力,同样发达的孔隙构造也意味着吸附剂有着很大的表面积,使气体(杂质)能与毛细管充分接触,从而被毛细管吸附。当一个分子被毛细管吸附后,由于分子之间存在相互吸引力的原因,会导致更多的分子不断被吸引,直到添满毛细管为止。

必须指出的是,不是所有的微孔都能吸附有害气体,这些被吸附的杂质的分子直径必须是要小于活性炭的孔径,即只有当孔隙结构略大于有害气体分子的直径,能够让有害气体分子完全进入的情况下才能保证杂质被吸附到孔径中,过大或过小都不行。所以需要通过不断地改变原材料和活化条件来创造具有不同的孔径结构的吸附剂,从而适用于各种杂质吸附的应用。

吸附剂在活化过程中,巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成,吸附剂的孔隙的半径大小可分为:大孔半径>20000nm;过渡孔半径150~20000nm;微孔半径<150nm。

二、吸附剂

活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色,内部孔隙结构发达,比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料,是一种常见的吸附剂、催化剂或催化剂载体。

活性碳分为粒状活性碳、粉末活性碳及活性碳纤维,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。

粒状活性碳(GAC-granular activated carbon)一般为直径在0.42 -0.85毫米之间的圆柱状颗粒,理论上讲粒状活性炭产品颗粒越小,接触空气面积就越大,比表面积也越大,吸附性能就越好,但是颗粒越小,粉碎制作过程中损耗也越大,粉尘也越多,成本也就越高,所以很多厂家为降低成本,使用大颗粒活性炭,性能当然不好,一般颗粒大小在0.5毫米左右的活性炭既达到了最佳性能,又确保不是粉末,没有污染。GAC的孔结构一般是具有三分散态的孔分布,既具有按IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)分类的孔径大于50nm的大孔,也有2.0~50nm的中孔(过渡孔)和小于2.0nm的微孔。但是由于GAC的孔状结构、孔径分布等原因,它的吸附速度较慢,分离率不高,特别是它的物理形态使其在应用和操作上的有诸多不便,GAC的应用范围收到了限制。

活性碳纤维(ACF)是继粉状与粒状活性碳之后的第三代活性碳产品。70年代发展起来的活性碳纤维是随着碳纤维工业发展起来的一种新型、高效的吸附剂。其最显著的特点是具有发达的比表面积(1000㎡/g~3000㎡/g)和丰富的微孔,微孔的体积占总孔体积的90%以上,微孔直径约10Angstrom(1 Angstrom =1×10-10m)左右,故其有很强的吸附能力。

与传统的粒状活性碳(GAC)相比,ACF具有以下特点:

1、ACF与GAC的孔结构有很大的差异,如图1和图2所示。ACF的孔分布基本上呈单分散态,主要由小于2。0nm的微孔组成,且孔口直接开口在纤维表面,其吸附质到达吸附位的扩散路径短,纤维直径细,故与被吸附物质的接触面积大,增加了吸附几率,且可均匀接触。

2、比表面积大,最大可达2500㎡/g,约是GAC的10~100倍;吸附容量大,约是GAC的1.5~100倍;吸附能力为GAC的400倍以上;吸附、脱附速度快,ACF对气体的吸附数10秒至数分钟可达平衡。

3、孔径分布范围窄,绝大多数孔径在100 Angstrom(1 Angstrom =1×10-10m)以下,GAC的内部结构有微孔、过渡孔和大孔之分,而ACF的结构只有微孔及少量的过渡孔,没有大孔,并且孔径均匀,分布比较狭窄,为0.1~1nm,这是ACF吸附选择性较好的原因。

4、ACF不仅对高浓度吸附质的吸附能力明显,对低浓度吸附质的吸附能力也特别优异,如当甲苯气体含量低到10ppm(1ppm=1×10-6,即百万分之一,以下同)以下时,ACF还能对其吸附,而GAC必须高于100ppm时方能吸附;

5、耐热、耐酸碱;具有很强的氧化还原特性,可将高价金属离子还原为低价态;

6、体积密度小,滤阻小,约是GAC的1/3。可吸附粘度较大的液体物质,且动力损耗小。

而且ACF易再生,工艺灵活性大(可制成纱、布、毡或纸等多种制品);以及不易粉化和沉降等特征,这些特征有利于吸附和脱附,使得ACF对各种有机化合物具有较大的吸附量和较快的吸、脱附速度。

吸附剂的吸附性能由吸附剂的比表面积、吸附剂的孔隙直径来决定,其吸附性能的值log[(C0-C)/C]可由下式计算求得:

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

式中:C0—初始浓度;

C—平衡浓度;

S—吸附剂的比表面积(㎡/g);

D—吸附剂的孔隙直径(nm)。

由上式可见,吸附剂的比表面积越大吸附能力也越大,吸附剂的孔隙直径越小所具有的吸附能力就越大。

三、再生

活性炭纤维再生脱附的几种方法

(1)升温脱附。物质的吸附量是随温度的升高而减小的,将吸附剂的温度升高,可以使已被吸附的组分脱附下来,这种方法也称为变温脱附,整个过程中的温度是周期变化的。微波脱附是由升温脱附改进的一种技术,微波脱附技术已应用于气体分离、干燥和空气净化及废水处理等方面。在实际工作中,这种方法也是最常用的脱附方法。

(2)减压脱附。物质的吸附量是随着压力升高而升高的,在较高的压力下吸附,降低压力或者抽真空,可以使吸附剂再生,这种方法也称为变压吸附。此法常常用于气体脱附。

(3)冲洗脱附。用不被吸附的气体(液体)冲洗吸附剂,使被吸附的组分脱附下来。采用这种方法必然产生冲洗剂与被吸附组分混合的问题,需要用别的方法将它们分离,因此这种方法存在多次分离的不便性。

(4)置换脱附。置换脱附的工作原理是用比被吸附组分的吸附力更强的物质将被吸组分置换下来。其后果是吸附剂上又吸附了置换上去的物质,必须用别的方法使它们分离。例如,活性炭纤维对Ca2+、Cl-有一定的吸附能力,这些离子占据了吸附活性中心,可对活性炭纤维吸附无机单质或有机物产生不利影响。因此,用活性炭纤维吸附待分离溶液中的物质后,选用CaCl2作为脱附剂可降低活性炭纤维对吸附质的吸附稳定性,从而达到降低脱附活化能的目的。

(5)磁化脱附。由于单分子水的性质比簇团中的水分子活泼得多,能充分显示它的偶极子特性,从而使水的极性增强。预磁处理能增大水的极性,这就能充分解释经过预磁处理后活性炭纤维的吸附容量减小的现象。当磁场强度增大时,分离出的单个水分子越多,则阻碍作用就越大,从而吸附容量减小得也就越多。活性炭纤维本身为非极性物质,活性炭纤维的表面由于活化作用而具有氧化物质,且吸附剂是在湿空气条件下活化而成,它使活性炭纤维的表面氧化物质以酸性氧化物占优势,从而使活性炭纤维具有极性,能够吸附极性较强的物质。由于这些带极性的基团易于吸附带极性的水,从而阻碍了吸附剂在水溶液中吸附非极性物质。这种方法常用于溶液中对吸附质的脱附。

(6)超声波脱附。超声波(场)是通过产生协同作用来改变吸附相平衡关系的,在超声波(场)作用下的吸附体系中添加第三组分后,体系相平衡关系朝固相吸附量减少方向移动的程度大于在常规条件下的吸附体系。根据超声波的作用原理推测,可能是因为第三组分改变了流体相的极性,增加了空化核的表面张力,使得微小气核受到压缩而发生崩溃闭合周期缩短的现象,从而产生更强烈的超声空化作用。因此,在用活性炭纤维吸附待分离溶液中的物质后,可以用超声波(场)产生协同作用来改变吸附相平衡关系,降低活性炭纤维对吸附质的吸附稳定性,从而达到降低脱附化能的目的。

四、活性炭纤维吸附回收装置

装置组成:

1、预处理部分:预先除去进气中的固体颗粒物及液滴,并降低进气温度(如有必要);

2、吸附部分:通常采用2~3个吸附器并联或串联;

3、吸附剂再生部分:水蒸气脱附有机组分,干燥风机吹扫降温使活性炭纤维再生;

4、 溶剂回收部分:不溶于水的溶剂可与水分层,易于回收、水溶性溶剂需采用精馏法回收;对处理量小的水溶性溶剂也可与水一起掺人煤炭中送锅炉烧掉。

装置工艺:

1、预处理—吸附:有机废气经风机加压,然后经过预处理后进入吸附器,废气中的有机组分穿透活性炭纤维吸附层时被吸附,而净化后的气体由吸附器顶部排出。

2、脱附—再生:装置采用水蒸气为脱附剂,脱附蒸汽由吸附器顶部进入,穿透活性碳纤维毡层,将被吸附浓缩的有机物脱附出来并带入冷凝器。脱附后需要由干燥风机或二级吸附风机向吸附器内吹扫,使碳纤维吸附床层迅速降温,以便再次吸附。

3、冷凝回收:脱附蒸汽与有机物的混合蒸汽经过冷凝器冷凝,有机物和不凝气的混合物流入分层槽,通过重力沉降分离,达到回收有机物的目的,分离后的水排放至厂方污水系统集中处理后排放,不凝气回到风机前再次进入吸附器吸附。

4、装置一般有二到四个吸附器组成,由自动控制系统控制吸附器轮流切换以上工艺动作。

技术特点:

1、 工艺设计合理,根据工况合理配置吸附器规格和吸附剂装填量,充分吸收尾气中的有机溶剂,吸附容量大,吸附再生速度快,系统吸附效率高。

2、 积累多年设计和制造经验,系统化防爆设计和安全节点监控,严格的产品质量保证体系,确保设备本质安全,满足化工生产场所的苛刻要求。

3、 吸附是物理过程,分离温度低,回收的有机物组分不变,可以直接回用生产,净化空气的同时获得较高的经济效益。

4、采用德国西门子PLC控制,集成电磁阀、气动元件执行动作,系统自动化程度高,性能可靠,无人值守运行。设计有运行参数优化程序,大幅降低蒸汽和用电耗量,为客户节省运行费用。

5、 设备结构紧凑,占地面积小,操作方便,便于维护,配套工程投资少。为保证客户其他工艺过程和吸附装置安全运行,配备有事故紧急排放通道和动力电源、压缩空气突发故障情况下的安全设计。

6、  设备使用寿命长、投资回报期短,根据客户工况参数不同一般在10~18月内可收回设备投资。

适用行业:

石油化工、农药、涂布、涂装、特种纤维、人造革、制药、印刷、汽车部件、电子、电子元件、橡胶、塑胶、酿造、化学试验室等。

可回收的有机物种类:

1、  烃类:苯、甲苯、二甲苯、n-乙烷、溶剂油、石脑油、重芳烃、碳氢清洗剂等。

2、卤烃: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。

2、 酮类:丙酮、丁酮、甲基异丁酮、环己酮等。

4、酯类:乙酸乙酯、乙酸丁酯、油酸乙酯等。

5、 醚类:二氧杂环己烷、THF、糠醛、甲基溶纤剂等。

6、醇类:甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等。

7、  聚合用单分子物体:氯乙烯、丙烯酸、丙烯酸酯、醋酸乙烯等。

适用于:

1、  印刷企业乙醇、乙酸乙酯回收(油墨添加剂、稀释剂、因后处理胶黏剂的添加剂和稀释剂)

2、  化工行业氯仿、氯苯回收(化工原料、萃取剂、溶剂、清洗剂)

3、纺织企业甲苯、碳氢清洗剂回收(萃取剂、清洗剂)

4、  食品添加剂企业甲苯、氯苯回收(化工原料、溶剂)

5、 双氧水行业重芳烃回收(化工原料)

6、   胶带企业汽油、溶剂油、甲苯回收(胶黏剂稀释剂)


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