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化学工程学报115（ 2006） 225-231

新型高效吸收液处理含甲苯的废气

弗雷德·埃里克·海姆斯，佩吉·曼诺·德莫斯特，弗朗西斯·瓦兹·夏比特，让·L·范洛，菲利普

2005年5月20日收到； 2005年10月17日收到订正表； 2005年10月17日接受

摘要

空气中的挥发性有机组分（ VOC）会引起健康和环境问题。voc_s吸收是一种可能处理工业污染空气的方法。 对于疏水性组分， 如甲苯，在水中的溶解性差，需要使用特定的重吸收剂。 以甲苯吸收为目的，对不同类型的有机吸收剂进行了详细的比较和评价。 用四类化学物质分别进行了测试（i）聚乙二醇，（ii）邻苯二甲酸盐，（iii）己二酸,（iv）硅油。 进行了气液分配和粘度检验实验.计算扩散系数.结果表明，己二酸二（ 2-乙基己基）脂最适合作为工业吸收剂。

2005 Elsevier B.V. 保留所有权

关键词：吸收，甲苯，亨利，粘度

1. 导言

大气挥发性有机化合物（ VOCs）参与光化学反应，产生地面臭氧（城市烟雾），并带来环境威胁，如全球变暖、酸雨和空气毒物。 尽管VOCs是自然排放的，但在城市/工业化地区排放这些化学品时，人类来源更占主导地位。 为了减少人为排放，诸如清洁空气法修正案^[1]（美国， 1990年）或欧共体指令^[2]（欧共体， 1999年， 2001年）等立法规定了大气中VOCs排放的浓度水平。

如果没有上游工艺的改进可以减少VOC的排放，则有必要设置一个空气处理工艺。 目前，在降低VOC方面有各种工艺可以选择，如热氧化或催化氧化、吸附、冷凝缩合、吸收、膜渗透和生物处理^[3]。 评估和选择适当的VOC减排技术取决于浓度和化合物的性质、排气流量和其他因素，如安全或经济考虑。 但是，在所有情况下都不能使用单一的方法：大多数方法都是特定的。

本文着重介绍了一种简单易行的吸附法工艺，该工艺有多种处理设备可供选择。 这一过程既不存在火灾风险，也不存在爆炸风险，如热氧化或催化氧化，并且可以在与生物处理相反的顺序步骤中工作。 这一过程的关键变量是选择合适的液体吸收剂。 在遇到疏水性VOCs的情况下，不能使用水和其他类型的吸收剂：水-油乳液^[4]，水-固体悬浮液^[5]，高沸点吸收剂^[6-27]。 在前两种情况下，多相性质产生同质性问题和平行传质阻力。 因此，使用纯有机吸收剂似乎更有趣。

几位作者研究得出。 有机吸收剂应具有下列性能，以吸引工业试验过程：（一）高容量吸收VOC，（二） 低粘度和高扩散系数，以控制吸收动力学；（三）低蒸气压，以减少剥离吸收剂的损失，并防止不必要的空气污染通过吸收剂； （四） 无毒，无火灾或爆炸危险； （五） 低成本

根据上述标准，研究了几种潜在的吸收剂：植物油^[6]、矿物油^[7]、柴油^[8]、硅油^[9-17]、太阳能油^[14-15]、聚乙二醇^{[13， 16-25， 27]}、烷基化物^{[26， 28]}。 大多数研究都是在过去十年中进行的，这说明了最近对环境方面的关注和保护空气质量的研究。 这些吸收剂是根据特定的优点选择的，例如高吸收容量、良好的热稳定性或重复使用的可能性。

对以往关于疏水吸收的文献综述指出，由于所选择的污染物、操作参数和给定的结果具有很大的异质性，因此不可能比较不同的研究吸收剂。此外，疏水吸收仍未使用，因为克服了包括高价格、毒性或高挥发性在内的缺点。

本研究的目的是通过选择一种高效的吸收剂，研究填料塔中的吸附效率和传质性能以及在填料塔中的应用，使疏水吸收更具竞争力。 本文介绍了第一个研究结果： 对不同种类的有机吸收剂进行了详细的比较和评价。 甲苯被选择为目标疏水VOC，因为它是一种有毒但常见的化合物，用于许多工业应用（印刷，汽车油漆等）， 在水中的溶解度很低^[29]。 调查的起点是对商业上可用的部件进行筛选，要求安全和廉价。筛选结果选择了四个化学类别（图1）。工业上常用的（一）聚乙二醇，（二）邻苯二甲酸盐，主要用作聚氯乙烯聚合物的增塑剂（三）己二酸，也用作涂料的增塑剂，（四）硅油，用于许多工业用途（抗泡沫，润滑剂）。只选择不具有毒性风险且蒸汽压低的溶剂：聚乙二醇300（PEG300)和聚乙烯400（PEG400)；聚二甲基硅氧烷（PDMS），通常以液体形式命名为硅油； 二（2-乙基己基）己二酸二脂（DEHA）；邻苯二甲酸二异丁酯（DIBP）；邻苯二甲酸二异烯丙基脂（DIHP）；邻苯二甲酸二酯（DIDP）。没有发现粘度和扩散系数的准确数据。在选定的吸收剂中，甲苯在气相和溶质相之间的平衡的热力学数据也是未知的。因此，进行了一个实验部分，以检查粘度和热力学平衡。用Scheibel方程^[30]估计扩散系数，优于Wilke-Chang方程，以获得更好的精度^[31]。

1. 材料和方法
   1. 粘度

用圆柱形粘度计测量粘度（AR 550，T.A. Instruments,法国）。研究了一系列温度对通常温度的响应。 对于每个温度，剪切力与剪切速度成正比。 斜率对应动态粘度值eta;。 粘度随着温度降低，假定牛顿流体遵循古兹曼·安德拉德定律：

式中，eta;是动态粘度，T是绝对温度，A，B是古兹曼-安德拉德系数。

• 1. 甲苯液气平衡

液气分配可以用几种方法来测量，如鼓泡法、体积法、薄膜法和色谱法[32]。 由于鼓泡法是用一个简单的装置完成的，并且可以方便和精确地覆盖大范围的分压，所以我们选择使用这种方法。 鼓泡实验室规模的设置如图2所示。通过在干燥气流（ 1）中注入液体甲苯来产生污染空气。 该条河流的流量由质量流量计控制（ Brooks 5880 TR，荷兰）（ 2）并设置100Lh-1。注射是由注射器分配器（ 3）（ Preacute;cidor，法国），根据目标气体浓度范围： CG， in=0.37-3.7gm-3。 负载流在缓冲区卷中流动（ 4）中流动，使气体浓度均匀化，然后通过吸收液中的多孔头。 整个系统放入热调节箱（ 25° C）（ 5）进出气体用火焰离子探测器FID分析（ COSMA石墨730，法国）（ 6）并测量其温度（ 7）。 每次实验执行如下操作：冒泡器（ 8）填充了大约150毫升的吸收剂；通过测量引入的实际质量并通过密度的知识转换来知道确切的体积。 在1h后，测量液体的温度，以控制其25° C的值。 将干燥空气和甲苯注入流量设置为所需值。 这种负载气体然后通过旁路流动，以防止污染引入的纯吸收剂。 采用FID法对出气进行分析，并控制其温度。 当温度和浓度都稳定时，阀门被切换，空气通过鼓泡容器流动。 在吸收饱和之前，一直跟踪呼出气体浓度，这相当于进入气体成分的气体浓度，并且在时间上稳定。 对于半批反应堆，质量平衡是：

其中Qg是流速，VL是吸收剂体积，Cg，in和Cg，是甲苯在气流中的进出口浓度。液相CL（t）中甲苯的浓度可以用以下方式表达：

不吸收甲苯的数量由积分项给出，并通过数值积分计算。 结果允许计算液相中甲苯浓度随时间的变化。 极限值为饱和浓度Cs..

汽液平衡（ V LE）可以用组分p的分压随其摩尔分数x在溶剂相中的变化来表示。 假设气相是完美的，亨利定律常数H可以从以下极限定义：

活动系数gamma;由以下公式定义：

其中PSAT是部件的饱和压力。 这一数值是在文献中发现的甲苯在25° C： Psat=3803Pa）。 然后将亨利常数H 和活动系数gamma;联系起来如下：

1. 结果和讨论
   1. 粘度

吸收剂的粘度从扩散和水动力角度强烈影响传质动力学：低粘度使液体侧界面层的厚度最小，并增加了这一层的扩散动力学。图3结果表明，所有溶剂在20° C（剪切应力sigma;对剪切速度的线性度）时均呈现牛顿行为。 粘度的相应值见表1.. 在30、40、50和60° C也测量了粘度。 收集的数据允许计算Guzman Andrade粘度方程中的两个参数。 表1 给出了A和B的获得值。 数据和方程之间有很好的一致性。正如预期的那样，具有高摩尔质量的分子，如PEG400、PEG300和DIDP，其粘度最高。 但在比较邻苯二甲酸盐和聚乙二醇类时，这一趋势没有得到尊重： DIDP的粘度低于PEG400， DIHP的粘度低于PEG300，尽管邻苯二甲酸酯的摩尔质量较高。 更强的分子间相互作用

应该解释一下这个观察。 在所有实验液体中， DEHA和硅油的粘度最低，比PEG400低10倍以上。 因此， DEHA 和硅油似乎是在吸收过程中使用的最有趣的液体。

• 1. 甲苯在气体间的热力学平衡相和溶质相

气体浓度实验数据的一个例子给出了鼓泡器出口的甲苯（图4），并计算了甲苯的液体浓度（图5）。饱和浓度值按照第2部分和见表2。重复实验（五次）

标准偏差sigma;=0.09 g L-1，准确度确定为2%。三级甲苯浓度研究气体：0.38、1.85和3.70 gm^-3。方程式。（4） 和（6）用于计算平衡常数H和gamma;（表3）。这个H值对空气处理的考虑有明确的兴趣。实际上，对于给定的气相，H值给出处于热力学状态的液体的组成与进入的空气保持平衡。gamma;是相互作用的特征

在甲苯和吸收剂之间。gamma;值低于统一转化为更有利的热力学平衡而不是没有相互作用的理想解。如所料，被测溶剂的含量相当高吸收能力。作为比较，尼尔森^[33]评估甲苯与水的亨利常数53times;103千帕。结果表明，邻苯二甲酸酯和己二酸酯比聚乙二醇和硅油具有更大的捕集能力。低活度系数值证实了这一点。邻苯二甲酸酯的甲苯吸收能力接近一种DEHA，尽管邻苯二甲酸盐是以芳香族化合物为基础的介质。这个芳香的环似乎在甲苯溶剂化机理。尽管聚乙二醇的值接近一半，但仍显示出相互间的吸收能力之前讨论过的溶剂。PEG 400和PEG 300是基于相同的单体方案，但显示出不同的吸收能力。硅油的吸收能力最低所有被测溶剂。 与其他作者的数据比较表4。Alessi等人。^[34]使用顶空色谱法不同浓度甲苯活度系数的测定方法邻苯二甲酸盐。波达尔和Sirkar^[7]给出了亨利定律常数使用硅油和商用加热油哪一个可以计算活度系数。 我们的数据接近Alessi等人提出的值。^[34]关于DIDP和DIBP，验证了我们的实验方法。最后，对实验数据和色谱数据的全面检验表明，己二酸二（2-乙基己基）酯的活性系数明显低于其他溶剂，且对甲苯的吸收应该很有兴趣。

• 1. 扩散系数

无限稀释D处的扩散系数在物种的低质状态下，在无限稀释时扩散。假设传质随扩散系数的增加而增加，这就是为什么扩散系数对吸收效率有很强的影响。数值中Scheibel方程计算，并在图5中报告。粘度影响强扩散系数，因此DEHA和硅油值最高。

• 1. 经济标准

为了在吸收目的中选择更合适的溶剂，必须考虑到经济标准。吸收剂的成本在投资阶段是很重要的，因为吸收剂应该是可再生的，所以不需要添加新的溶剂。溶剂是从工业和常用组分中选择的。大多数研究溶剂的价格每升不到3美元。所有溶剂的价格都一样，除了硅油，看来硅油大约比其他溶剂贵六倍。

• 1. 溶剂的选择

表5给出了实验数据和收集数据的重述图。 显然， DEHA具有较高的甲苯吸收能力、低粘度、低蒸气压和高扩散系数，因此比其他DEHA具有更好的吸收能力。 聚乙二醇以前曾在VOC吸收方面进行过

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