吸附法处理VOCs脱附温度的选择

2018-04-25李守信陈青松罗鑫张文智曾华英

中国环保产业 2018年3期

李守信，陈青松，罗鑫，张文智，曾华英

（1.华北电力大学环境学院，河北保定 071003；2.天津大拇指环境工程有限公司，天津 301700；3.福州大学环境学院，福州 350116；4.厦门中煜环保工程有限公司，福建厦门 361000）

1 前言

在采用炭基吸附剂处理VOCs工艺中，不论采用低压水蒸汽脱附还是氮气脱附，都是将脱附介质加热到一定温度后，对吸附质进行脱附。采用水蒸汽脱附时，一般都是将水蒸汽加热到100℃，主要是为了利用水的潜热，另外也不用考虑设备的承压问题；采用氮气脱附时，加热温度可选择，当温度超过100℃时，也不必考虑设备的承压问题。

目前在脱附温度的选择上，一般都是采用粗犷的方法：即不论脱附什么物质，水蒸汽温度一般都定在100℃或略高；氮气则根据脱附物质的性质确定。因此，在脱附温度的选择上常出现误区：1）对于一种挥发性有机物的脱附温度，一般认为：要想把这些物质从吸附剂上脱附下来，其脱附温度必须高于该物质的沸点[1、6]；2）由于认识上的误区，使得本不应该使用高温脱附时，却错误采用高温进行脱附，不仅收不到理想的效果，而且会造成能源浪费。

2 吸附法治理VOCs工艺

采用吸附法处理VOCs工艺流程如下图所示[2]。

3 治理VOCs采用的一般脱附方法[3]

3.1 升温脱附

吸附法处理VOCs工艺流程图

采用升高温度的方法，使吸附质分子由固体吸附剂上逸出而脱附的方法，称为升温脱附。升温脱附采用水蒸汽、热的惰性气体（如氮气）、热烟气或采用电感加热等方式。

3.2 降压脱附

降压脱附又称抽空脱附，是降低饱和吸附剂周围的压力，使其上的吸附质逸出的脱附方法。降压后气相中吸附质的分压随之降低，与之平衡的吸附量亦降低，吸附质即被脱附。

3.3 置换脱附

采用在脱附条件下与吸附剂亲合能力比原吸附质更强的物质，将原吸附质置换下来的方法，称为置换脱附。

3.4 吹扫脱附

采用不被该吸附剂吸附的气体（如惰性气体）对床层进行吹扫，将吸附质脱附下来，称为吹扫脱附。

实际应用中，往往是几种脱附方法结合，例如采用水蒸汽脱附，就同时具有加热和吹扫的作用。

4 VOCs脱附温度、脱附效果及分析

4.1 挥发性有机物的脱附情况

在工程实践中可观察到部分挥发性有机物的脱附温度及效率见下表。

由上表可以看出：

（1）脱附温度与物质的沸点基本没有关系。以三甲苯为例，其沸点是164.7℃，而采用100℃的水蒸汽，却能够将其很好地脱附下来（脱附率97.01%）。而对于比它的沸点低得多的丙烯酸（沸点141℃），采用100℃的水蒸汽进行脱附时，丝毫不起作用。

（2）纵观上表中的各种物质，凡是饱和蒸气压在10.0kPa以上的物质，采用100℃的水蒸汽都能够很好地脱附下来。而饱和蒸气压较低的物质，如苯乙烯（25℃时为0.841）、邻苯二甲酸二丁酯（148.2℃时为0.13）、丙烯酸丁酯（20℃时为0.53）等，虽然沸点比三甲苯低得多，但由于它们的饱和蒸气压很低，采用100℃的水蒸汽仍然无法将它们脱附下来[4]。

由此可得出结论：物质的脱附温度基本与沸点无关，而和它的饱和蒸气压有密切关系。

（3）一些物质之所以难以脱附，皆是因为它们的饱和蒸气压很低造成的。由此，也可纠正对苯乙烯难以脱附的原因归结到“苯乙烯在吸附剂表面发生了聚合反应”[5]的错误认识。

（4）对于难以脱附的物质，当采用热氮气脱附时，并不是温度越高脱附的越彻底，过高的脱附温度反而使其脱附效率下降。如表中所示，在采用热氮气对甲基异丁酮（沸点115.8℃，20℃时的饱和蒸气压为2.13kPa）进行脱附时发现，当温度升至100℃时，脱附率只有63.10%；为提高脱附率，将氮气温度提高到170℃，此时的脱附率达到76.50%；这时考虑再升温已毫无意义，将温度试着下降，结果发现，脱附率反而逐渐上升。当温度降至110℃时，脱附率达到了峰值99.20%。因此得出，对于难以脱附的物质进行脱附时，并不是温度越高，脱附越彻底，过高的脱附温度反而使其脱附效率下降。如遇此类问题时，应通过实验，慎重选择适当的脱附温度，以取得最佳的脱附效率。

4.2 分析

（1）脱附温度与饱和蒸气压的关系[5]。从脱附原理上讲，吸附质从吸附剂表面脱附的根本原因是，吸附质分子必须克服吸附剂表面对它的引力，增大它脱离表面的推动力。也就是说，要想使吸附质分子从吸附剂表面脱附下来，就必须给它能量或推动力，使其能够从吸附剂表面“蒸发”到吸附剂孔道中，从而进入气相主体。而在通常采用的脱附方法中，加热脱附是给其提供能量，以增加分子的动能；吹扫脱附和降压（真空）脱附，都是为了降低吸附剂孔道中废气分子的分压，也就是蒸气压，给废气造成一个浓度差，从而给废气分子由吸附剂表面向气相转移提供一个推动力，这个推动力越大，废气分子的脱附速度就越快。所以，从这个理论出发就不难理解，吸附质的脱附温度是与其饱和蒸气压直接相关的，而与它的沸点无关。

（2）一些饱和蒸气压较低的物质在脱附时，温度过高反而会使脱附率下降。从吸附的分类上说，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附，所形成的键能只在范德华力的范围，即最大只有80kJ/kmol左右，而化学吸附的吸附键力可达到400kJ/kmol以上。在物质的吸附上，往往存在一种现象：当温度低时是物理吸附，如果温度升高，则可能转变为化学吸附[3]。也就是说，当脱附温度过高时，使本来存在的物理吸附状态可能转化成化学吸附状态，使得吸附键的键能大大增加，因而反而不易脱附下来。这就是为什么温度过高，反而使物质脱附率下降的原因。

当然，要想彻底搞清这个问题，只能对两种状态的吸附键的键能进行测定。但目前对吸附键键能的测定还较困难，虽然有人采用同步辐射光电离的方法，能够测定一些物质的化学键的键能，但采用此法能不能很好地测定吸附键的键能，目前还未见报道。

5 对脱附温度确定方法的建议

（1）对于饱和蒸气压＞10kPa的物质，原则上都可以采用100℃的水蒸汽进行脱附；但从节约能源的角度讲，建议对饱和蒸气压较大且沸点较低（如＜70℃）的物质，如：丙酮：沸点56.1℃，饱和蒸气压2371.86kPa（100℃）；四氢呋喃：沸点66℃，饱和蒸气压101.33kPa（66.0℃）；二氯甲烷：沸点39.75℃，饱和蒸气压80.00kPa（35℃）等，建议采用较低温度的氮气进行脱附，这样不仅可降低脱附剂的温度，同时在对脱附后混合气体冷凝时，也不用采用温度很低的冷凝水进行冷凝分离（如二氯甲烷需要采用7℃低温水进行冷凝分离），就可以节约能源。由于采用了氮气脱附，也就省去了对冷凝水的处理问题。

（2）对于饱和蒸气压较低的物质采用高温脱附时，也要采用适当的温度进行脱附，这样既能收到高的脱附效率，也能达到节能目的。

当然，对于各种物质脱附温度的选择，目前还没有现成的数据可以查询，还需要进行反复实验才能初步确定，然后再进行经济可行性分析，才能最后确定所选择的脱附温度是否合适。