齊立強(qiáng)，高唯恒，李晶欣，羅積琛

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071000）

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）還是PM2.5重要的前驅(qū)物，與霾的產(chǎn)生有緊密的聯(lián)系，也是破壞臭氧層的因素之一，因此，對(duì)VOCs 進(jìn)行控制和處理是提高空氣質(zhì)量的重要措施之一[1]。

VOCs 的處理技術(shù)有很多，吸附法能夠使VOCs廢氣附著于吸附劑的表面，從而達(dá)到凈化空氣的作用，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理效果好、成本低而被廣泛應(yīng)用[2，3]。吸附法目前多以活性炭或分子篩為吸附劑，存在處理成本較高、再生程序復(fù)雜的弊端。傳統(tǒng)吸附裝置常采用固定床或移動(dòng)床的吸附結(jié)構(gòu)，吸附過(guò)程中存在吸附床層過(guò)厚導(dǎo)致氣體壓力損失過(guò)大、進(jìn)氣壓力分布不均導(dǎo)致吸附床層吸附不均勻等現(xiàn)象，使吸附劑不能得到充分利用[4，5]。

粉煤灰是燃煤鍋爐焚燒后的產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大且過(guò)量囤積會(huì)造成揚(yáng)塵、水體污染等諸多環(huán)境問(wèn)題。粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，粒徑為0.5—300μm，孔隙率高達(dá)50%—80%，有很強(qiáng)的吸附能力[6]。粉煤灰成本低廉且經(jīng)改性后吸附潛能得到極大開(kāi)發(fā)，完全有可能取代活性炭和分子篩成為普遍應(yīng)用的吸附劑。改性粉煤灰吸附劑的主要成分為硅鋁酸鹽以及硅、鋁、鐵、鈣等元素的氧化物形態(tài)，能夠耐高溫耐腐蝕，再生損失量小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，重復(fù)利用率較高，脫附技術(shù)簡(jiǎn)單易行。

針對(duì)傳統(tǒng)吸附工藝的不足，本研究基于改性粉煤灰作為吸附劑，設(shè)計(jì)了一種VOCs 吸附裝置，采用雙濾桶和旋流設(shè)計(jì)，提高了氣體處理效率和吸附劑利用率，而且可多次再生。

1 粉煤灰改性吸附劑及吸附效率

為驗(yàn)證改性粉煤灰的吸附性能，本研究以乙酸乙酯為被吸附氣體設(shè)計(jì)了吸附實(shí)驗(yàn)，獲得了不同改性方法的粉煤灰對(duì)乙酸乙酯的吸附曲線和吸附量。

取粉煤灰過(guò)篩剔除大顆粒后放入高頻振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)研磨40min，將研磨后的粉煤灰置于干燥箱內(nèi)充分干燥，得到研磨原灰。研磨會(huì)使粉煤灰細(xì)化，使其粒徑分布比例發(fā)生較大變化，研磨也會(huì)增加粉煤灰的孔容和孔徑，使粉煤灰活化，激發(fā)了粉煤灰潛在的吸附性能[7-9]。

稱取一定質(zhì)量研磨原灰與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的HCl溶液按照質(zhì)量比1 ∶ 10 進(jìn)行混合，將混合物置于水浴加熱器中，在60℃條件下攪拌2h，之后冷卻至室溫25℃，采用去離子水洗滌至中性，利用真空干燥箱在150℃條件下干燥6h，常溫保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取一定量經(jīng)過(guò)酸處理的粉煤灰與30%的NaOH 溶液按照質(zhì)量比1∶10 進(jìn)行混合，將混合物在80℃條件下攪拌處理2h，冷卻至室溫后，重復(fù)酸處理之后洗滌干燥步驟即完成酸堿聯(lián)合改性粉煤灰的制備。酸堿改性在使粉煤灰的比表面積增大的同時(shí)破壞粉煤灰內(nèi)部的晶體成鍵現(xiàn)狀并重新組合成鍵，使硅鋁氧化物等具有較強(qiáng)吸附能力的物質(zhì)含量比例增大，這也極大提升了粉煤灰的吸附能力[10，11]。

如圖1 所示，吸附實(shí)驗(yàn)整體采用鼓泡法進(jìn)行，氣瓶中的壓縮空氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置中，利用混氣瓶將氣流分為兩路，各自利用流量計(jì)測(cè)定流量大小，將其中一路通入三頸燒瓶，將其中的乙酸乙酯氣體吹入氣路中，之后由下一個(gè)混氣瓶將兩路氣流混合，通過(guò)控制兩路氣流大小，可實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)氣流流量大小以及其中吸附質(zhì)乙酸乙酯的濃度，然后氣流進(jìn)入吸附柱，利用氣相色譜儀檢測(cè)吸附柱進(jìn)出口端濃度。如圖2 所示，統(tǒng)計(jì)各時(shí)間點(diǎn)的氣體出口濃度即得到不同組別粉煤灰對(duì)乙酸乙酯吸附的穿透曲線（穿透時(shí)間在此定義為氣體出口濃度達(dá)到氣體進(jìn)口濃度的95%，并持續(xù)10min 以上，即為穿透）。

圖1 吸附實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖

圖2 粉煤灰吸附乙酸乙酯的穿透曲線圖

由穿透曲線可知，乙酸乙酯氣體濃度在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)會(huì)趨于整體平衡，隨著粉煤灰慢慢吸附，飽和乙酸乙酯濃度會(huì)隨時(shí)間迅速上升后幾乎達(dá)到氣體進(jìn)氣濃度，此時(shí)的粉煤灰已達(dá)到完全吸附飽和。改性后的粉煤灰對(duì)乙酸乙酯有更高的吸附效率，而且吸附時(shí)間明顯增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，通過(guò)改性處理的粉煤灰對(duì)VOCs 的吸附能力明顯增強(qiáng)。由吸附量公式結(jié)合對(duì)乙酸乙酯的穿透曲線得到了不同組別粉煤灰對(duì)乙酸乙酯的吸附量，具體數(shù)值如下表所示。

不同組別粉煤灰對(duì)乙酸乙酯的飽和吸附量

2 雙濾筒旋流VOCs 吸附裝置的設(shè)計(jì)與原理

如圖3 所示，吸附裝置由內(nèi)、外濾筒套裝圍成雙濾筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)濾筒為圓環(huán)柱形結(jié)構(gòu)，外濾筒為上薄下厚的圓環(huán)臺(tái)形結(jié)構(gòu)，兩濾筒上下封閉，筒壁可供氣體穿過(guò)；外濾筒和內(nèi)濾筒內(nèi)部可填裝顆粒狀或成型板式改性粉煤灰吸附劑；待處理氣體由下端進(jìn)氣口進(jìn)入，旋轉(zhuǎn)上升的同時(shí)穿過(guò)內(nèi)、外濾筒，處理后的氣流進(jìn)入內(nèi)濾筒中心氣道或外濾筒與殼體間，通過(guò)出氣口排出。內(nèi)濾筒內(nèi)側(cè)及外濾筒外側(cè)殼體內(nèi)壁上設(shè)置多條再生噴吹管，吸附劑飽和時(shí)可通過(guò)反吹再生，也可將內(nèi)外濾筒一起高溫再生。

圖3 吸附裝置部件標(biāo)注及氣流示意圖

吸附裝置運(yùn)行時(shí)，VOCs 廢氣由進(jìn)氣口接管穿過(guò)吸附組件進(jìn)氣口切向進(jìn)入濾筒夾層環(huán)形氣道，在氣道內(nèi)形成環(huán)流螺旋上升（氣體流向見(jiàn)圖3）。廢氣邊旋轉(zhuǎn)邊上升，一部分廢氣在離心動(dòng)壓的作用下穿透外濾筒，被濾筒內(nèi)的改性粉煤灰吸附劑凈化后進(jìn)入殼體與雙濾筒吸附組件的夾層空間，另一部分廢氣在氣流靜壓作用下穿透內(nèi)濾筒，凈化后進(jìn)入吸附組件中心氣道，兩部分被凈化的氣體在裝置頂部匯集，經(jīng)由出氣口接管排出。當(dāng)吸附床層穿透后，由再生噴吹管噴射過(guò)熱蒸汽或高溫氮?dú)獾冉橘|(zhì)，對(duì)雙濾筒吸附組件進(jìn)行再生，再生廢氣經(jīng)由外濾筒、雙濾筒夾層環(huán)形氣道和內(nèi)濾筒進(jìn)入中心氣道，由中心氣道下部出口以及再生廢氣出口接管排出。再生廢氣中的VOCs 組分可通過(guò)冷凝、分餾等技術(shù)再次回收利用。對(duì)于不需回收的VOCs 成分，雙濾筒吸附組件可拆卸，經(jīng)高溫煅燒后重復(fù)使用。

3 雙濾筒旋流VOCs 吸附裝置的吸附實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，實(shí)驗(yàn)室試制了小型吸附裝置。內(nèi)、外濾筒底部厚度比值為1 ∶ 1.8，內(nèi)、外濾筒頂部厚度比值為1 ∶ 1；內(nèi)濾筒床層厚度為0.05m，外濾筒上部厚度為0.05m，下部厚度為0.09m；空床氣速設(shè)置為10m/min。夾層環(huán)形氣道的高度與厚度之比為8 ∶ 1。

實(shí)驗(yàn)中以甲苯為目標(biāo)污染物，甲苯廢氣濃度分別設(shè)置為400mg/m3和800mg/m3。圖4 為不同VOCs 濃度對(duì)吸附效果的影響。結(jié)果表明，在吸附初始階段裝置的出口甲苯濃度一直未檢出，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附床層被穿透，出口濃度先緩慢上升后迅速升高，入口濃度為400mg/m3和800mg/m3的吸附曲線穿透時(shí)間分別為45min 和24min 左右、吸附飽和時(shí)間分別為63min 和42min 左右。

圖4 不同VOCs 濃度對(duì)吸附效果的影響圖

圖5 為再生次數(shù)對(duì)吸附效果的影響。本實(shí)驗(yàn)入口濃度固定為400mg/m3，其他參數(shù)不變，進(jìn)行了20 次吸附再生循環(huán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，再生10 次以內(nèi)，改性粉煤灰吸附劑的吸附效果無(wú)明顯降低，10—20 次再生期間，吸附效果呈下降趨勢(shì)，但在第20 次再生結(jié)束后，吸附劑的穿透時(shí)間仍能達(dá)到30min 左右。由此可知，由于改性粉煤灰吸附劑的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，其具有較好的多次再生吸附能力。

圖5 再生次數(shù)對(duì)吸附效果的影響圖

4 結(jié)語(yǔ)

粉煤灰經(jīng)改性后活性被激發(fā)，比表面積、孔隙率、孔容、孔徑等各項(xiàng)參數(shù)都有較大優(yōu)化，硅鋁酸鹽等吸附能力較強(qiáng)的物質(zhì)含量比例增加，灰體吸附能力大為增強(qiáng)，成為一種高效、經(jīng)濟(jì)的吸附劑。

雙濾筒旋流吸附裝置通過(guò)內(nèi)外雙濾筒、氣體旋流上升的巧妙設(shè)計(jì)和合理的參數(shù)設(shè)計(jì)比例彌補(bǔ)了現(xiàn)有吸附裝置的不足，提高了吸附劑的利用率和吸附效率，適用于工業(yè)中大氣量污染氣體的處理。