活性炭吸附苯、甲苯废气的研究

1前言

随着工业的发展，有机废气的排放迅速增加。涂装、印刷、绝缘材料、漆包线、树脂加工、皮革加工等行业排放大量含苯、甲苯的多组分有机废气。对于有机废气的治理，研究人员已经开发出一些卓有成效的控制技术;广泛采用且研究较多的控制技术有吸附法、热破坏法、冷凝法、吸收法等。其中，吸附法的应用极为广泛。与其它方法相比，吸附法具有去除效率高，净化彻底，能耗低，工艺成熟，能回收溶剂，易于推广实用等优点，具有很好的环境和经济效益。而活性炭则由于具有巨大的比表面积、吸附容量大、易再生、来源丰富且价格较低等优点，故成为最常用的吸附剂。

总的来说，有四种实验方法可用来测定多组份吸附等温方程:容量法、重量法、测压法和色谱分析法。无论使用哪一种方法，直接测定多组份吸附等温线都是复杂、繁琐的。因此，很多研究者都采用理论方法从纯组份的吸附等温线来分析预测多组份的吸附平衡。

2 实验装置及方法

2.1 实验原料

2.1.1 吸附剂

吸附剂采用江西怀玉山活性炭(集团)有限公司生产的 MA-C70 颗粒状活性炭，其特性如表 1。

2.1.2 吸附质

实验中使用的吸附质为苯、甲苯，纯度均大于 99.5%。

2.1.3 气体

实验使用的气体有氮气和氢气，纯度大于99.9%。

2.2 实验流程

本实验流程如图 1 所示，

包括配气系统、恒温及吸附系统、浓度检测系统。

2.2.3 检测系统:

毛细管柱的气相色谱仪，氢焰检测系统。

2.3 分析条件

色谱分析采用 N2000 色谱工作站。

分析条件如下: 

热导电流 220mA ;

载气(H2)流量 40~50mL⋅min−1

进样量 5mL 

层析室温度 120~140°C

气化室温度 160°C

3 结果与讨论

3.1 纯组分吸附平衡

对纯组分苯、甲苯在温度 30°C的吸附进行测定，实验结果见图 2。

3.2 二组分吸附的穿透曲线

控制苯、甲苯在混合废气中的总浓度约 3951×10−6、改变混合气体组成进行了穿透吸附实验，每隔5 分钟测定一次出口浓度，直至出口浓度与进口浓度相等。各种组成下的吸附穿透曲线见图 3。 图中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示不同组成下的穿透曲线。

图 3 所示的穿透曲线，显示出明显的二组分吸附的特征。由于吸附时各组分间的相互竞争，使得吸附现象变得复杂了。显而易见，实验中使用的活性炭对甲苯的吸附能力较苯强。正是由于对不同组分的吸附能力的差异，使得吸附穿透曲线发生了明显的变化，从而吸附过程更加复杂。

从图 3 所示的穿透曲线，我们可以看出，甲苯能从活性炭中置换出已被吸附的苯，即吸附能力强的组分能置换吸附能力弱的组分。

整个吸附过程可以分为三个阶段。第一阶段，新鲜的或刚再生过的活性炭对穿过气流中的有机成份进行吸附。此时，吸附进行得比较完全，排气中有机成份含量接近于零，穿透曲线几乎呈一条直线。随着时间的推移，排气中的有机成份慢慢地有了少许增长。第二阶段，吸附达到穿透点，排气中的有机成份含量显著增大。从图中可以看出，先是吸附能力较弱的组分的含量突然增大，迅速达到一个最高值，经较短的时间后，又迅速下降。而吸附能力较强的组分在排气中的含量则是缓慢增大，其穿透点与纯组分吸附时相比明显后移。第三阶段，排气中的各组分含量渐趋稳定，活性炭吸附达到饱和。

3.3.3 理论分析

苯-甲苯二元吸附的平衡关系见图 4。可以看出，E-L 方程和 IAST 计算出的吸附总量与实验结果非常接近，说明这两个理论用于预测多组分吸附时还是比较准确的，这也正是学者们经常采用它们来预测多组分吸附平衡的原因所在。但对于混合有机废气中单个组分，从图中明显可看出，IAST 的计算结果比 E-L 的计算结果更准确。而且我们发现 E-L 算法对组分苯的计算结果都呈正误差，而对另一组分甲苯，计算结果都为负误差。对苯组分而言，IAST 的计算结果与实验结果很接近，平均误差仅有9.42%，最大误差也只有 21.5%。而 E-L 方程的计算结果与实验结果就有较大差距，平均误差有 33.1%，最大误差达到 63.3%。对另一组分甲苯而言，因甲苯吸附量比苯大得多，相对误差较小，E-L 的平均误差为-5.47%，最大误差为-14.0%;IAST 的误差就非常小，最大误差也只有 1%左右，与实验结果非常吻合。

4结论

(1) 纯组分吸附平衡与 Langmuir 方程非常吻合，其吸附等温线是典型的 Langmuir 型。

(2) 实验表明，MA-70 活性炭对甲苯的吸附能力强于苯。

(3) 多组分吸附的情况下，由于各组分之间的互相竞争和干涉，吸附现象变得更复杂了，在实验条件下，吸附能力较强的甲苯组分能将已被吸附的苯组分置换出来。

(4) E-L方程为纯组分吸附方程直接扩展而得，未能考虑组分间的竞争和干涉，其预测结果表明了

它的热力学矛盾和常数不明确，但它对吸附总量的预测较为准确，而且非常简便，因此非常适宜在工程设计中使用。

(5) IAST 是在热力学模型的基础上形成的，考虑了组分间的竞争和干涉，理论上比较成熟。它的预测平均误差不超过 10%，对总量的预测误差只有 5%左右，是一种较好的多组分吸附预测方法。