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废弃物基活性炭对 VOCs 废气的治理 解立平 天津工业大学材化学院, 天津 300160 林伟刚 杨学民 中科院过程工程研究所, 北京 100080 摘要 研究了废弃物基活性炭在对 VOCs吸附过程中的主要影响因素。 结果表明 废弃物基活性炭完全可用于 VOCs 的净化治理工艺。 关键词 挥发性有机化合物 VOCs 吸附 活性炭 废气治理 0 前言 挥发性有机化合物 Volatile Organic Compounds, VOCs 指具有较高蒸汽压 、 常温常压下容易挥发的一 类非甲烷有机化合物 [ 1,2] , 而 VOCs 的排放控制技术 可分为两大类, 一类是破坏法, 即通过生化或化学反 应,用热、催化剂 、 微生物将 VOCs 氧化为无毒或低毒 物质 ,如将VOCs转化为CO2和H2O; 另一类是非破坏 法,即采用物理方法将 VOCs 净化回收, 因而具有再 生利用有机物、节省资源等优点。该法中常用的技术 有吸附 、 吸收 、冷凝等 。由于吸附法可对有机废气达 到相当彻底的净化程度而被广泛地用于 VOCs 回收 工艺中 。对于回收价值不大 如多组分 VOCs 或在工 艺上不需回收的有机废气则并不完全适宜采用该法。 这是由于目前吸附工艺中所采用的吸附剂主要是成 本较高的粒状活性炭 、 活性炭纤维 。为降低 VOCs 的 治理成本, 需对活性炭进行解吸再生, 以使之重复使 用。显然, 对于无需回收的 VOCs 的治理 , 再生后的 操作成本仍然较高。因此 ,寻找成本低且可有效吸附 VOCs 的新型活性炭吸附剂是降低 VOCs 治理工艺的 有效途径 。 城市垃圾先热解再焚烧不仅可有效地提高垃圾 的焚烧效率,克服垃圾直接焚烧对焚烧炉所带来的设 计困难,同时还有利于解决垃圾焚烧过程中所产生的 HCl 、二英所造成的环境污染 [ 3,4] 。为此, 作者在对 城市垃圾中各组分性质分析的基础上, 成功地以城市 垃圾中 3 种典型的固体有机废弃物 木屑、纸张、 塑料的热解物为原料制得了适宜于吸附二英、 中孔 发达的废弃物基活性炭 。由于所用原料来自于城市 垃圾 ,因而制备废弃物基活性炭的原料费不仅不用支 出,而且根据垃圾处理原则还可获得一定的垃圾处理 费,使得活性炭成本大大降低 。据测算 , 废弃物基活 性炭的生产成本比常规活性炭可降低 1 3 以上。显 然,若能采用废弃物基活性炭对 VOCs 加以治理, 不 仅扩大废弃物基活性炭的应用范围 ,而且还可大大降 低VOCs 的治理成本,尤其适宜于对无需回收的VOCs 的吸附、 治理。 基于此 ,该项目选定了 VOCs 中典型的 、具有代 表性的有机物 甲苯作为吸附介质,对废弃物基活 性炭吸附治理VOCs 的可行性进行了初步的研究 ,并 同北京某活性炭厂生产的无烟煤基活性炭的吸附性 能进行了比较。 1 实验 1. 1 实验装置 实验系统如图 1 所示, 主要由质量流量控制器 D07 -15 ZM 、 U 形吸附反应器、甲苯浓度测定仪、超 级恒温水浴 、 阀门等组成 。实验所用载气为氮气。 1氮气瓶; 2质量流量控制器; 3 -1, 3 -2针形阀; 3 -3, 3 -4截止阀; 4三通; 5转子流量计; 6甲苯溶液; 7, 8超级恒温水浴; 9缓冲罐; 10U 形吸附反应器; 11活性炭吸附柱。 图 1 甲苯吸附工艺流程 由氮气瓶出来的氮气通过质量流量控制器调节 到一定的流量后分为两路 ,一路首先流经超级恒温水 浴中的甲苯溶液以鼓泡形式产生甲苯饱和蒸汽,然后 进入缓冲器 ,另一路则直接进入缓冲器。两路气体在 缓冲器中混合后流经阀门 3-3 并用气体检测仪检测 34 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 甲苯的初始浓度 C0。甲苯的初始浓度是通过调节阀 门3-1来改变两路气体的流量之比而实现的。甲苯 初始浓度 C0调节好后, 关闭阀门 3 -3 并开启阀门 3-4,使一定甲苯浓度的混合气体流经活性炭吸附柱 进行吸附。吸附反应器内装一定量且粒度为 ≤ 30 目 的活性炭吸附剂 。 1. 2 甲苯浓度的测定 采用美国生产的 MiniRAE2000 PGM-7600 气体在 线检测仪进行实时测定 。每4 s采集并记录1 次甲苯 浓度数据 。 1. 3 活性炭的孔结构 本实验所用废弃物基活性炭 MSOW- AC 和无烟 煤基活 性炭 Anthracite- AC 的 孔结构参数如表 1 所示 。 表 1 活性炭孔结构参数 项目 SBE T m2 Vtot cm3g - 1 Vmic cm3g - 1 Vmes cm3g- 1 MSOW -AC8540 . 6250. 3400 . 285 Anthracite-AC8510 . 6150. 3400 . 275 由表 1 可知 ,废弃物基活性炭孔结构中的微孔孔 容很高 ,达 0. 340 cm 3 g , 而且中孔亦很发达 。无烟煤 基活性炭的孔结构与其相比, 微孔孔容相同 ,而中孔 孔容稍低 。 2 实验结果与分析 2. 1 甲苯入口浓度对活性炭吸附性能的影响 考察了不同甲苯入口浓度 C0下废弃物基活性 炭对甲苯的吸附穿透性能 , Cb为吸附反应器出口气 流中甲苯的浓度 。实验条件 吸附温度 30 ℃、流量 640 mL min、 活性炭装填量 400 mg 。实验结果如图 2 所示 。 图 2 不同浓度下废弃物基活性炭对甲苯吸附穿透曲线 由图 2 可知 ,各种不同的甲苯入口浓度下废弃物 基活性炭吸附穿透曲线的形状基本相同 ,但随入口浓 度的增加 ,穿透时间逐渐减小 。 2. 2 气体流量对活性炭吸附性能的影响 不同流量下废弃物基活性炭对甲苯的吸附穿透 曲线如图 3 所示 。实验条件为 吸附温度 300 ℃、甲 苯入口浓度为 3. 9 10 -4 、 活性炭装填量为 400 mg 。 图 3 不同流量下废弃物基活性炭对甲苯吸附穿透曲线 图 3 表明 , 在相同的甲苯入口浓度及活性炭装 填量下 ,流量越大, 废弃物基活性炭吸附柱穿透得越 快,即穿透时间越短 ; 而且流量的变化对吸附柱穿透 曲线的形状基本没有影响 。 2. 3 吸附柱高度对活性炭吸附性能的影响 图4 为在不同的吸附柱填充高度 即不同活性炭 装填量 时废弃物基活性炭对甲苯的吸附穿透曲线。 实验条件 吸附温度 30 ℃、入口甲苯浓度 3. 910 - 4 左右 、 气体流量 640 mL min。 图 4 吸附柱高度对废弃物基活性炭穿透曲线 由图 4 可知 ,当吸附柱高度较低时 如装填量分 别为 80、200 mg , 吸附穿透曲线较陡 ,吸附柱很快被 穿透 ; 当吸附柱达到一定高度时 如装填量分别为 400、 600 mg ,吸附穿透曲线较平缓 ,吸附柱需经过较 长时间的吸附才能被穿透。这说明在一定的吸附条 件下 ,必须保证具有一定的吸附柱高度 即一定的活 性炭装填量 ,否则吸附时迅速被穿透,无法达到净化 效果 。 2. 4 结果分析 上述实验结果表明, 当活性炭装添量达到一定时 如 400 mg 以上 , 废弃物基活性炭对甲苯具有较长 的吸附穿透时间 在 50 min 以上 , 说明废弃物基活 性炭对甲苯可进行有效的吸附 、 净化治理 。为进一步 35 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 比较说明废弃物基活性炭对甲苯的吸附性能 ,作者选 择北京某活性炭厂生产的无烟煤基活性炭 孔结构参 数见表1 进行了相同条件下的吸附实验。 结果表明, 无烟煤基活性炭与废弃物基活性炭在 吸附过程中具有相同的穿透曲线。基于穿透时间 tb 本文定义为出口气流中甲苯浓度与入口气流甲苯浓 度的比值为0. 1时所对应的吸附时间 是表征活性炭 吸附性能的一个非常重要的参数, 故将两种活性炭对 甲苯吸附的穿透时间列于表 2 、 3 中以进行比较。其 中表 2 为气体流量 778 mL min 下不同甲苯入口浓度 时的穿透时间, 表 3 则为甲苯入口浓度为 3. 810 -4 时穿透时间与气体流量 F 之间的关系, 斜线左边和 右边的数字分别为废弃物基和无烟煤基活性炭的吸 附穿透时间。 表 2 甲苯入口浓度与穿透时间之间的关系 项目 C0 10- 4 1 . 62. 53. 86. 7 tb min95 9164 5949 4627 24 表 3 穿透时间与流量之间的关系 项目 F mLmin- 1 6187789151 144 tb min 65 6149 4641 3834 30 显然 ,废弃物基活性炭的穿透时间比无烟煤基活 性炭的穿透时间略长 ,说明废弃物基活性炭对甲苯的 吸附性能更好, 而其生产成本却比无烟煤基活性炭低 1 3 以上。因此 , 以废弃物基活性炭为吸附剂可对 VOCs 尤其对无需回收的 VOCs 进行经济 、 有效地吸 附治理。 3 结论 废弃物基活性炭因其制备成本低且对甲苯具有 良好的吸附性能而完全可用于 VOCs 的吸附治理 ,从 而既扩大了废弃物基活性炭的应用范围 ,还进一步达 到了“以废治污”的目的。废弃物基活性炭系用于 VOCs 吸附 、 净化治理的新型、低廉吸附剂。 参考文献 [ 1] 阎勇. 有机废气回收技术. 化工进展,1996, 5 36 -39. [ 2] 乔惠贤, 尹维东, 栾志强等. 大风量 VOCs 废气治理. 环境工程, 2004,22 1 36 -38. [ 3] 解立平, 林伟刚, 杨学民. 城市垃圾综合利用新工艺. 环境工程, 2002,20 6 52 -54. [ 4] 解立平, 林伟刚, 杨学民. 塑料热解物在城市有机废弃物制备活 性炭中的作用. 新型炭材料, 2002, 17 4 57 -61. 作者通讯处 解立平 300160 天津市河东区程林庄路 63 号 天津 工业大学材化学院 电话 022 81529681 E -mail xielp368263. net 或 lpxie368 yahoo. com. cn 2005- 07-14 收稿 上接第 46页 4当通风除尘系统的吸尘点超过 5 ～ 6 个时, 除了通过合理计算管径力求阻力平衡外 ,还必须设置 性能良好的连续性阀门加以调节 , 也就是说 ,必须将 管径调节和管件调节结合起来 ,才能达到理想的捕集 效果 。 参考文献 [ 1] 苏汝维、郭爱清等. 工业通风与防尘工程学, 北京 北京经济学 院出版社, 1991, 7 第 1版 33 -55. [ 2] 季学李. 大气污染控制工程. 上海 同济大学出版社, 1992 160 - 170. [ 3] 王丽萍, 李多松等. 大气污染控制工程, 北京 煤炭工业出版社, 2002 300 -330. 作者通讯处 李多松 221008 江苏徐州市 中国矿业大学环测 学院 2005- 07-18 收稿 声 明 为适应我国信息化建设,扩大本刊及作者知识信息交流渠道, 本刊已加入“中国期刊全文数据库” , 其作者 著作权使用费与本刊稿酬一次性付给。如作者不同意将文章编入该数据库 ,请在来稿时声明 ,本刊将做适当处 理,如不声明视为同意。 36 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 Abstract The silk-making wastewater was treated by air -floatation and SBR process. The effluent quality coned to the first -order criterionof GB8978 -1996. Combining the engineering practice, itwasgivensome experience indesign andoperationof the engineering. The process featured low cost, simple operation and easy maintenance, which may provide experience in sewage treatment of similar silk-making plants. Keywords air -floatation -SBR treatment and silk-making wastewater THE TREATMENT OF FOOD -MAKING WASTEWATER USING UASB PROCESS Zhang Qunchou Tong Panrui Gao Yusong 25 Abstract The waste water from food-making starch production is a highly-concentrated organic waste water. It is treated by a biochemical treatmenttechnology using UASB reactor under normal temperature as the main treatment unit, and trickle bed as the secondary unit. These technics show that the use of the saidtechnology notonly saves investment, lowers operational cost and simplifies operation but also producesusable methane while the waste water after treatment can meet the standard before discharged so that good economic and environmental results can be obtained. Keywords food -making waste water,wastewater of starch production and UASB TREATMENTOFEXPANSIBLEPOLYSTYRENEWASTEWATERBYPROCESSOF FLOCCULATIVE SEDIMENTATION -ACTIVE CARBON BIOLOGICAL TANK Liu Xiaodong Ni Ning Li Jiansheng et al 27 Abstract Expansible polystyrene EPSwastewater involves large quantities of organism containing benzene loop such as surfactant LAS and so on with high total P index and bad biodegradability. It is hard to treat it. The process of flocculative sedimentation-active carbon biological tank is adapted to treat EPS wastewater. When average CODCrof originalwastewater is 1 800mg L, thatof the effluent can reach about 80 mg Lwith the removal rate of 95. 5. The effluent quality remains stable and several quality inds of the effluent can meet the first class criteria specified in the national discharge standard. Keywords EPS wastewater, active carbon biological tank, delayed aeration and surfactant TREATMENT OF CHEMICAL WASTEWATER BY HYDROLYTIC ACIDIFICATION -A O PROCESS Liu Bozhi Liu Faqiang Ding Xuehong 29 Abstract Hydrolytic acidification-A O process is selected to treat chemical wastewater of high concentration due to the fact that the traditional activated sludge process has a low removal rate of NH3-N and the effluent CODCrcan not be up to standard steadily . The test results show that the new process has excellent denitrifying effect with CODCrand NH3-N meeting the first-order of the national emission standard. Keywords chemical sewage, hydrolytic acidification, A O process and biodenitrogenation THE DESIGN FOR FLUE GAS ATOMIZING HUMIDIFICATION OF SEMI-DRY FLUE GAS DESULFURIZATIONShi Yingjie Wang Fan Wang Hongmei et al 31 Abstract Humidification plays a key role in SO2removal for semi-dry flue gas desulfurization FGD. In the article. the analysis is derived that perance of air atomizing is more effective than that of mechanical atomizing. The calculation results show that drop size distribution of FM10 air atomizing nozzle can meet flue gas condition in evaporation. It is deduced that atomizing contrail angle is constrained in the flue gas and laying out of the nozzle in the duct unily to avoid drop from wetting wall. Fabric filter is supposed to be nice in heat preservation and easy in ash cleaning. A smooth -surfaced filter material is selected. Keywords semi -dry process, FGD, air atomizing nozzle and humidification TREATING VOCs-BEARING EXHAUST GAS BY ACTIVATED CARBON FROM SOLID WASTES Xie Liping Lin Weigang Yang Xuemin 34 Abstract The main influence factors on the adsorption to VOCs in exhaust gas with activated carbon from solid wastes SW-ACare investigated. The results indicated that the SW-AC can certainly be used for the purification process of VOCs -bearing exhaust gas. Keywords VOCs, adsorption, activated carbon and treatment of exhaust gas TREATMENT OF ODOR POLLUTION FROM AERATIONTANK FOR REFINERY BY FIXED BED ACTIVATED CARBON ADSORPTIONLu Qingfang Guo Bingbing 37 Abstract Odor treatment in aeration tank by means of fixed bed activated carbon adsorption has been studied. The subject under study is aimed at the sewage treatment plant in Jiujiang Petrochemical Complex Refinery of SINOPEC. The activated carbon IVP for desulphurization hydrogen sulfide and methanthioland the activated carbon BPL for adsorpting VOC benzene, methylbenzene and dimethyl benzenehas been chosen in the research at the pilot plant. The technology route removing the offensive odor from pollution gas has been worked out. Keywords offensive odor, activated carbon and adsorption 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 2,Apr. ,2006