催化燃燒處理VOC的選擇
1前言
在采用炭基吸附劑處理VOCs工藝中，不論采用低壓水蒸汽脫附還是氮?dú)饷摳?，都是將脫附介質(zhì)加熱到一定溫度后，對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行脫附。采用水蒸汽脫附時(shí)，一般都是將水蒸汽加熱到100℃，主要是為了利用水的潛熱，另外也不用考慮設(shè)備的承壓?jiǎn)栴}；采用氮?dú)饷摳綍r(shí)，加熱溫度可選擇，當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)，也不必考慮設(shè)備的承壓?jiǎn)栴}。
目前在脫附溫度的選擇上，一般都是采用粗獷的方法：即不論脫附什么物質(zhì)，水蒸汽溫度一般都定在100％或略高；氮?dú)鈩t根據(jù)脫附物質(zhì)的性質(zhì)確定。因此，在脫附溫度的選擇上常出現(xiàn)誤區(qū)1)對(duì)于一種揮發(fā)性有機(jī)物的脫附溫度，一般認(rèn)為：要想把這些物質(zhì)從吸附劑上脫附下來(lái)，其脫附溫度必須高于該物質(zhì)的沸點(diǎn)；2)由于認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，使得本不應(yīng)該使用高溫脫附時(shí)，卻錯(cuò)誤采用高溫進(jìn)行脫附，不僅收不到理想的效果，而且會(huì)造成能源浪費(fèi)。
2吸附法治理VOCs工藝
3治理VOCs采用的一般脫附方法
3.1升溫脫附
采用升高溫度的方法，使吸附質(zhì)分子由固體吸附劑上逸出而脫附的方法，稱為升溫脫附。升溫脫附采用水蒸汽、熱的惰性氣體(如氮?dú)?、熱煙氣或采用電感加熱等方式。
3.2降壓脫附
降壓脫附又稱抽空脫附，是降低飽和吸附劑周圍的壓力，使其上的吸附質(zhì)逸出的脫附方法。降壓后氣相中吸附質(zhì)的分壓隨之降低，與之平衡的吸附量亦降低，吸附質(zhì)即被脫附。
3.3置換脫附
采用在脫附條件下與吸附劑親合能力比原吸附質(zhì)更強(qiáng)的物質(zhì)，將原吸附質(zhì)置換下來(lái)的方法，稱為置換脫附。
3.4吹掃脫附
采用不被該吸附劑吸附的氣體(如惰性氣體)對(duì)床層進(jìn)行吹掃，將吸附質(zhì)脫附下來(lái)，稱為吹掃脫附。
實(shí)際應(yīng)用中，往往是幾種脫附方法結(jié)合，例如采用水蒸汽脫附，就同時(shí)具有加熱和吹掃的作用。
4VOCs脫附溫度、脫附效果及分析
4.1揮發(fā)性有機(jī)物的脫附情況
在工程實(shí)踐中可觀察到部分揮發(fā)性有機(jī)物的脫附溫度及效率見(jiàn)下表。
由上表可以看出：
(1)脫附溫度與物質(zhì)的沸點(diǎn)基本沒(méi)有關(guān)系。以三甲苯為例，其沸點(diǎn)是164．7℃，而采用100℃的水蒸汽，卻能夠?qū)⑵浜芎玫孛摳较聛?lái)(脫附率97.01％)。而對(duì)于比它的沸點(diǎn)低得多的丙烯酸(沸點(diǎn)141℃)，采用100％的水蒸汽進(jìn)行脫附時(shí)，絲毫不起作用。
(2)縱觀上表中的各種物質(zhì)，凡是飽和蒸氣壓在10.0kPa以上的物質(zhì)，采用100％的水蒸汽都能夠很好地脫附下來(lái)。而飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)，如苯乙烯(25℃時(shí)為0.841)、鄰苯二甲酸二丁酯(148.2℃時(shí)為0.13)、丙烯酸丁酯(20℃時(shí)為0.53)等，雖然沸點(diǎn)比三甲苯低得多，但由于它們的飽和蒸氣壓很低，采用100％的水蒸汽仍然無(wú)法將它們脫附下來(lái)。
由此可得出結(jié)論：物質(zhì)的脫附溫度基本與沸點(diǎn)無(wú)關(guān)，而和它的飽和蒸氣壓有密切關(guān)系。
(3)一些物質(zhì)之所以難以脫附，皆是因?yàn)樗鼈兊娘柡驼魵鈮汉艿驮斐傻?。由此，也可糾正對(duì)苯乙烯難以脫附的原因歸結(jié)到“苯乙烯在吸附劑表面發(fā)生了聚合反應(yīng)”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。
(4)對(duì)于難以脫附的物質(zhì)，當(dāng)采用熱氮?dú)饷摳綍r(shí)，并不是溫度越高脫附的越徹底，過(guò)高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如表中所示，在采用熱氮?dú)鈱?duì)甲基異丁酮(沸點(diǎn)115.8℃，20℃時(shí)的飽和蒸氣壓為2.13kPa)進(jìn)行脫附時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升至100℃時(shí)，脫附率只有63.10％；為提高脫附率，將氮?dú)鉁囟忍岣叩?70℃，此時(shí)的脫附率達(dá)到76.50％；這時(shí)考慮再升溫已毫無(wú)意義，將溫度試著下降，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脫附率反而逐漸上升。當(dāng)溫度降至110℃時(shí)，脫附率達(dá)到了峰值99.20％。因此得出，對(duì)于難以脫附的物質(zhì)進(jìn)行脫附時(shí)，并不是溫度越高，脫附越徹底，過(guò)高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如遇此類問(wèn)題時(shí)，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，慎重選擇適當(dāng)?shù)拿摳綔囟?，以取得最佳的脫附效率?
4.2分析
(1)脫附溫度與飽和蒸氣壓的關(guān)系]。從脫附原理上講，吸附質(zhì)從吸附劑表面脫附的根本原因是，吸附質(zhì)分子必須克服吸附劑表面對(duì)它的引力，增大它脫離表面的推動(dòng)力。也就是說(shuō)，要想使吸附質(zhì)分子從吸附劑表面脫附下來(lái)，就必須給它能量或推動(dòng)力，使其能夠從吸附劑表面“蒸發(fā)”到吸附劑孑L道中，從而進(jìn)入氣相主體。而在通常采用的脫附方法中，加熱脫附是給其提供能量，以增加分子的動(dòng)能；吹掃脫附和降壓(真空)脫附，都是為了降低吸附劑孔道中廢氣分子的分壓，也就是蒸氣壓，給廢氣造成一個(gè)濃度差，從而給廢氣分子由吸附劑表面向氣相轉(zhuǎn)移提供一個(gè)推動(dòng)力，這個(gè)推動(dòng)力越大，廢氣分子的脫附速度就越快。所以，從這個(gè)理論出發(fā)就不難理解，吸附質(zhì)的脫附溫度是與其飽和蒸氣壓直接相關(guān)的，而與它的沸點(diǎn)無(wú)關(guān)。
(2)一些飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)在脫附時(shí)，溫度過(guò)高反而會(huì)使脫附率下降。從吸附的分類上說(shuō)，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附，所形成的鍵能只在范德華力的范圍，即最大只有80kJ／kmol左右，而化學(xué)吸附的吸附鍵力可達(dá)400kJ／kmol以上。在物質(zhì)的吸附上，往往存在一種現(xiàn)象：當(dāng)溫度低時(shí)是物理吸附，如果溫度升高，則可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附[3]。也就是說(shuō)，當(dāng)脫附溫度過(guò)高時(shí)，使本來(lái)存在的物理吸附狀態(tài)可能轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附狀態(tài)，使得吸附鍵的鍵能大大增加，因而反而不易脫附下來(lái)。這就是為什么溫度過(guò)高，反而使物質(zhì)脫附率下降的原因。
當(dāng)然，要想徹底搞清這個(gè)問(wèn)題，只能對(duì)兩種狀態(tài)的吸附鍵的鍵能進(jìn)行測(cè)定。但目前對(duì)吸附鍵鍵能的測(cè)定還較困難，雖然有人采用同步輻射光電離的方法，能夠測(cè)定一些物質(zhì)的化學(xué)鍵的鍵能，但采用此法能不能很好地測(cè)定吸附鍵的鍵能，目前還未見(jiàn)報(bào)道。
5對(duì)脫附溫度確定方法的建議
(1)對(duì)于飽和蒸氣壓>10kPa的物質(zhì)，原則上都可以采用100℃的水蒸汽進(jìn)行脫附；但從節(jié)約能源的角度講，建議對(duì)飽和蒸氣壓較大且沸點(diǎn)較低(如<70℃)的物質(zhì)，如：丙酮：沸點(diǎn)56.1℃，飽和蒸氣壓2371.86kPa(100℃)；四氫呋喃：沸點(diǎn)66℃，飽和蒸氣壓101.33kPa(66.0℃)；二氯甲烷：沸點(diǎn)39.75℃，飽和蒸氣壓80.00kPa(35℃)等，建議采用較低溫度的氮?dú)膺M(jìn)行脫附，這樣不僅可降低脫附劑的溫度，同時(shí)在對(duì)脫附后混合氣體冷凝時(shí)，也不用采用溫度很低的冷凝水進(jìn)行冷凝分離(如二氯甲烷需要采用7℃低溫水進(jìn)行冷凝分離)，就可以節(jié)約能源。由于采用了氮?dú)饷摳?，也就省去了?duì)冷凝水的處理問(wèn)題。
(2)對(duì)于飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)采用高溫脫附時(shí)，也要采用適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行脫附，這樣既能收到高的脫附
效率，也能達(dá)到節(jié)能目的。當(dāng)然，對(duì)于各種物質(zhì)脫附溫度的選擇，目前還沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)可以查詢，還需要進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能初步確定，然后再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析，才能最后確定所選擇的脫附溫度是否合適。
6結(jié)語(yǔ)
(1)揮發(fā)性有機(jī)物的脫附溫度與其沸點(diǎn)沒(méi)有關(guān)系，而與飽和蒸氣壓有著密切關(guān)系。因此，可根據(jù)物質(zhì)的飽和蒸氣壓選擇適當(dāng)?shù)拿摳絼_定合適的脫附溫度。
(2)從節(jié)能的角度考慮，對(duì)于沸點(diǎn)較低而飽和蒸氣壓較高的揮發(fā)性有機(jī)物，建議采用較低溫度(如<100oC)的氮?dú)膺M(jìn)行脫附，這樣既可以在脫附時(shí)節(jié)約能源，而且在冷凝分離時(shí)也可達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還省去了污水處理的費(fèi)用。
(3)對(duì)于飽和蒸氣壓特別低、沸點(diǎn)較高的揮發(fā)性有機(jī)物，采用高溫脫附時(shí)，并不是溫度越高脫附效果越好，過(guò)高的溫度反而會(huì)降低脫附率。
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