納米樹脂吸附處理正己烷廢氣的工程實例

王 寧，朱兆堅，周 兵，郭孝虎，阮志偉，翟廷婷，張煒銘,2

（1.江蘇南大環(huán)?？萍加邢薰?國家環(huán)境保護有機化工廢水處理與資源化工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210046；2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023）

0 引言

揮發(fā)性烷烴類化合物在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中正己烷作為一種重要的有機溶劑，可作為有機合成的溶劑、食用植物油的提取劑、橡膠和涂料的溶劑以及顏料的稀釋劑等。由于正己烷具有低沸點、易揮發(fā)的特性，它在生產(chǎn)過程中極易揮發(fā)并污染大氣，同時又造成大量的資源浪費[1]。當(dāng)前，吸附技術(shù)在揮發(fā)性有機物（VOCs）治理領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用[2-3]，江蘇南大環(huán)保科技有限公司成功研發(fā)出的NDA 系列VOCs 專用新型吸附材料可根據(jù)吸附對象尺寸進行人為調(diào)配，具有比表面積大、易于再生、疏水性較強、吸附溫升較緩和、安全性高、耐溫范圍大等優(yōu)勢，在揮發(fā)性有機廢氣資源化回收利用方面具有極大的應(yīng)用前景[4-7]。

本研究采用NDA-150型納米吸附樹脂作為吸附劑，以正己烷為吸附對象開展動態(tài)吸附實驗，探究吸附溫度、初始濃度、停留時間等因素對樹脂動態(tài)吸附的影響，同時研究了樹脂脫附蒸汽用量等問題，從而為后續(xù)工程優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

主要儀器：玻璃吸附柱Ф40×320 mm（實驗室自制）；9890A 通用型氣相色譜儀 (上?？∑鎯x器設(shè)備有限公司)：恒溫水槽（金壇實驗儀器廠）；AL204型電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）：正己烷，分析純（南京化學(xué)試劑有限公司）；NDA-150 納米吸附樹脂（江蘇南大環(huán)保科技有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米吸附樹脂的預(yù)處理

首先，稱取一定量廢氣專用型NDA-150 納米吸附樹脂，采用4.0%的HCl 溶液潤洗，再用去離子水洗至中性。然后，用4.0%的NaOH 溶液潤洗，再用去離子水洗至中性。最后，在索式提取器中用無水乙醇抽提8 h，在105℃條件下烘干后置于廣口瓶中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 動態(tài)吸附行為研究

納米樹脂動態(tài)吸附實驗裝置由配氣系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)等3 個部分組成，見圖1。廢氣進入吸附柱，吸附柱通過循環(huán)水浴進行保溫，廢氣中正己烷廢氣濃度可利用氣相色譜儀分析得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 操作條件對動態(tài)吸附的影響

吸附柱內(nèi)裝填150 g 經(jīng)預(yù)處理后的NDA-150納米吸附樹脂，樹脂裝填高度為40 cm，研究不同的吸附溫度、進氣濃度和停留時間等因素對樹脂動態(tài)吸附正己烷的影響，本研究以Ct/C0=0.10為穿透點，穿透吸附量通過穿透曲線面積計算求得，曲線面積在Origin2019 軟件中積分求得，各吸附條件下穿透時間和穿透吸附量見表1。

表1 各種工況條件下納米樹脂的穿透吸附情況

由表1可知，延長停留時間、降低吸附溫度和增加進氣濃度均可提高納米樹脂對正己烷的穿透吸附量，各個條件對穿透吸附量的影響比較見表2。

表2 進氣濃度、吸附溫度及停留時間對穿透吸附量的影響

圖1 動態(tài)吸附柱裝置示意

精確控制N2氣量，其中一路通入裝有正己烷的配氣瓶，制得飽和的正己烷蒸汽，另一路作為稀釋氣與其在緩沖瓶中混合穩(wěn)定，通過流量器來調(diào)節(jié)2 路氣體的氣量比，從而配制得不同濃度的正己烷廢氣，進氣溫度、進氣濃度及停留時間均對正己烷的穿透吸附量產(chǎn)生重要影響。為考察各條件對穿透吸附量影響的大小，定義ΔT為各條件的變化量；ΔM為相應(yīng)穿透吸附量的變化量；|ΔM/ΔT|為各條件對應(yīng)的穿透吸附量平均變化率絕對值，|ΔM/ΔT|值越大，說明所對應(yīng)的因素對穿透吸附量的影響越大。由表2可以得出，進氣溫度對正己烷的穿透吸附量影響最大，停留時間的影響較小。

2.2 操作條件對脫附的影響

吸附飽和正己烷后的納米樹脂通常采用0.10 MPa 的蒸汽進行再生，同時采用深度冷凝法對吹脫出來的正己烷廢氣進行回收利用，脫附率按照式（1）計算得出，本實驗探究不同蒸汽用量對樹脂脫附率的影響。

式中：Y為納米樹脂的脫附率；m1為樹脂吸附前的質(zhì)量，g；m2為樹脂吸附后的質(zhì)量，g；m3為冷凝后的正己烷油相的質(zhì)量，g；m4為水中溶解的正己烷質(zhì)量，g。

不同蒸汽用量對納米樹脂的脫附率影響見表3。

表3 不同蒸汽用量對納米樹脂的脫附率影響

由表3可知，針對吸附飽和正己烷的納米樹脂，利用吸附正己烷總量2倍的蒸汽基本就可以將樹脂脫附完全，這主要得益于納米吸附樹脂孔徑分布適中，除含有大量微孔外，還含有一定比例的中孔及大孔，這些中孔、大孔可以作為吸附質(zhì)分子擴散進入微孔內(nèi)部的通道，吸附作用力較弱，擴散速度快，易于脫附。

2.3 實驗研究參數(shù)

通過小試研發(fā)確定的最佳工藝參數(shù)如下：吸附溫度：20℃；吸附形式：采用雙柱串聯(lián)吸附；單柱吸附停留時間3 s；穿透吸附量：210 mg/g 干樹脂；再生工藝參數(shù)：2倍樹脂對正己烷吸附量的飽和蒸汽（0.1 MPa）+冷風(fēng)吹掃降溫。

3 工程應(yīng)用

3.1 廢氣工況條件

宿遷某醫(yī)藥企業(yè)合成車間產(chǎn)生的高濃度正己烷廢氣，經(jīng)前端2 級冷凝回收處理后，還有部分未冷凝下來，廢氣中正己烷質(zhì)量濃度約10 000 mg/m3，氣量約2 500 m3/h，業(yè)主要求出口廢氣中正己烷質(zhì)量濃度低于80 mg/m3，同時對正己烷進行資源回收利用。

3.2 樹脂吸附處理工藝流程

宿遷某醫(yī)藥企業(yè)正己烷廢氣樹脂吸附處理與資源化工藝流程見圖2。

圖2 廢氣處理與資源化工藝流程框

3.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備型號

（1）廢氣預(yù)處理系統(tǒng)1套；配套設(shè)備：引風(fēng)機1臺，Q=3 000 m3/h，P=5 800 Pa，N=7.5 kW，變頻電機；除霧器1臺，設(shè)計尺寸：D×H=1 400 mm×2 000 mm，材質(zhì)為SUS304。

（2）樹脂吸附塔3臺，設(shè)計尺寸：D×H=1 800 mm×3 200 mm，有效容積為5.0 m3；材質(zhì)為SUS304，內(nèi)裝填納米吸附樹脂2.1 m3；配套設(shè)備：操作平臺1座，設(shè)計尺寸：L×B×H=8.0 m×5.0 m×5.0 m，材質(zhì)為碳鋼。

（3）樹脂脫附系統(tǒng)1套；配套設(shè)備：冷卻風(fēng)機1臺，Q=1 500 m3/h，P=3 600 Pa，N=4.0 kW，變頻電機；一級冷凝器1臺，F(xiàn)=30 m2，材質(zhì)為SUS304；二級冷凝器1臺，F(xiàn)=5 m2，材質(zhì)為SUS304。

（4）溶劑回收系統(tǒng)1套；配套設(shè)備：油水分離器1臺，設(shè)計尺寸：L×B×H=1.0 m×1.0 m×2.0 m，有效容積為2.0 m3，材質(zhì)為SUS304；油相計量槽1臺，設(shè)計尺寸：L×B×H=0.6 m× 0.6 m× 1.2 m，有效容積為0.4 m3，材質(zhì)為SUS304；水相暫存槽1臺，設(shè)計尺寸：L×B×H=0.8 m×0.8 m×1.5 m，有效容積為1.0 m3，材質(zhì)為SUS304；油相輸送泵2臺，型號25CQ-15，Q=5.0 m3/h，H=15.0 m，N=1.1 kW，1 用1 備，變頻電機；水相輸送泵2臺，型號IHF40-32-160，Q=6.3 m3/h，H=32.0 m，N=2.2 kW，1 用1 備，變頻電機。

3.4 運行處理效果

該廢氣處理工程化裝置調(diào)試運行期為15 d，各單元的運轉(zhuǎn)情況正常，吸附處理后的廢氣中正己烷濃度完全優(yōu)于約定的指標(biāo)要求，并且每天可以回收585 kg 的正己烷溶劑，處理前后的工況條件見表4。

表4 正己烷廢氣治理各單元處理指標(biāo)情況

3.5 經(jīng)濟指標(biāo)分析

該廢氣通過樹脂吸附技術(shù)進行治理后，不僅可以解決該廢氣排放的難題，同時每天還可從廢氣中回收585 kg 的正己烷溶劑，折合經(jīng)濟價值約4 680元，每天處理費用約1 700元，扣除運行成本還有可觀的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

（1）本項目選擇NDA－150 納米樹脂作為正己烷廢氣關(guān)鍵吸附材料，再利用蒸汽進行脫附處理，使得吸附飽和的樹脂能夠徹底恢復(fù)吸附性能，為今后類似項目提供了一定的研發(fā)經(jīng)驗思路。

（2）通過小試研發(fā)確定的最佳工藝參數(shù)如下：吸附溫度：20℃；吸附形式：雙柱串聯(lián)吸附；單柱吸附停留時間3 s；穿透吸附量：210 mg/g 干樹脂；再生工藝參數(shù)：2.0倍樹脂對正己烷吸附量的飽和蒸汽（0.1 MPa）+冷風(fēng)吹掃降溫。

（3）實際工程實踐中取得了與小試研發(fā)一致的效果，樹脂吸附工藝對正己烷的去除率穩(wěn)定大于99.2%：出口廢氣中正己烷的質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于80 mg/m3，成功解決了該企業(yè)正己烷廢氣的排放問題。

（4）本工程裝置占地約100 m2，投資約140萬元，每天回收正己烷質(zhì)量約585 kg，回收效益約4 680元，扣除運行成本還有較大盈余。經(jīng)測算，2 a 內(nèi)就可收回全部工程投資費用，從而實現(xiàn)了環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的有效統(tǒng)一。