微泡吸收技術(shù)處理丙酮廢氣

張小波，李琰君，沈紹傳，贠軍賢，姚克儉

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，綠色化學(xué)合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310032）

工業(yè)有機(jī)廢氣是造成大氣污染的重要原因之一，其處理不易。傳統(tǒng)化學(xué)處理方法如燃燒、化學(xué)催化等易產(chǎn)生二次污染；物理方法如吸附、冷凝、液體吸收等由于可回用，在工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛。

微泡吸收廢氣是將有機(jī)廢氣通入微泡發(fā)生裝置，在吸收液中形成廢氣微氣泡，由于微氣泡具有氣液接觸面積大、氣體傳質(zhì)速率快、液體中停留時(shí)間較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，微氣泡中的可溶組分迅速向吸收劑傳遞并被吸收，在有機(jī)廢氣處理中有一定的應(yīng)用價(jià)值。Muroyama 等[1-2]以水吸收直徑50mm 低氣速氧氣微氣泡，結(jié)果表明低速微氧氣泡在吸收過(guò)程中傳質(zhì)阻力小，吸收率高；而直徑較大的普通氣泡吸收過(guò)程中存在氣液相平衡關(guān)系，液膜阻力大，吸收率受到一定限制，吸收效率偏低。范軼等[3]以微孔板分布器產(chǎn)生微氣泡，處理含有苯酚、丙酮、氫過(guò)氧化物的廢水，實(shí)驗(yàn)測(cè)得氣含率是一般傳統(tǒng)工藝的2倍，能夠在更短時(shí)間內(nèi)處理廢水中80%降解的物質(zhì)。Liu 等[4]對(duì)比傳統(tǒng)氣泡與微氣泡處理染料廢水的效果發(fā)現(xiàn)，幾十微米的微氣泡在溶液中具有很長(zhǎng)的停留時(shí)間，數(shù)密度大，傳質(zhì)系數(shù)是傳統(tǒng)氣泡的1.5 倍，對(duì)廢水中顏料和油污的處理效果分別是傳統(tǒng)氣泡的2.1 倍和1.4 倍。徐振華等[5]利用金屬微孔管制造微氣泡，在壓力為0.1MPa 就能生成20～70μm 的微氣泡，而傳統(tǒng)氣泡法需要0.3MPa的壓力，懸浮物的去除率可達(dá)到87.75%。Chu 等[6]利用臭氧微氣泡處理印染廢水，產(chǎn)生的微氣泡直徑低于58μm，在氣流量在低于0.5L/min 時(shí)，傳質(zhì)效率是傳統(tǒng)氣泡工藝的1.8 倍，有機(jī)物去除率為1.3 倍。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。Ultrospec 3300 pro 紫外/可見(jiàn)光分光光度，GE Healthcare；TS1000ME 高速動(dòng)態(tài)記錄儀，F(xiàn)astec Imaging；LZB-15 轉(zhuǎn)子流量計(jì)，常州熱工儀表廠；DF-101S 恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪予華儀器廠；SHB-ⅢA 循環(huán)水式多用真空泵，河南省太康科教器材廠；自制微氣泡吸收裝置，內(nèi)徑50 mm、高580 mm 的圓柱，圓柱底端內(nèi)置多孔微孔板，孔徑大小3～4μm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將水浴溫度維持在60℃，打開(kāi)真空泵抽氣，維持壓力不變，整個(gè)系統(tǒng)處于負(fù)壓下，將空氣倒吸進(jìn)裝有300g 水的吸收裝置中，氣體通過(guò)多孔微孔板后在水中產(chǎn)生大量的氣泡。在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)之后，微量注射器將丙酮緩慢注射出針尖，由于丙酮易揮發(fā)，在60℃下瞬間揮發(fā)成氣態(tài)，與空氣組成混合氣體，經(jīng)過(guò)多孔微孔板在水中形成空氣-丙酮的混合氣體微氣泡，微氣泡在上升過(guò)程中丙酮被水吸收。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，使氣流量為 0.6～1.4L/min，控制注射器推動(dòng)的速度，使混合氣體中丙酮質(zhì)量濃度ra 在(7.80～1.56)×10-3kg/m3。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于改變空氣的氣流量會(huì)造成真空表壓力的變化，但變化并不大，故本實(shí)驗(yàn)中的真空度是平均值。水溫為25℃，真空度為0.01MPa。

水中產(chǎn)生的微氣泡通過(guò)高速動(dòng)態(tài)記錄儀拍攝，微氣泡的直徑分布是在同一個(gè)液面高度下隨機(jī)統(tǒng)計(jì)100 個(gè)微氣泡得到；水中丙酮的濃度Ca采用紫外/可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量丙酮在水中的吸光度得到；表觀氣速Ug是通過(guò)計(jì)算氣流量與吸收裝置內(nèi)徑截面積的比值得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙酮濃度對(duì)于微氣泡的影響

測(cè)量了純水及丙酮水溶液中微氣泡直徑大小及分布。圖2(a)是純水中表觀氣速為10.2m/s 時(shí)微氣泡的圖像，其平均直徑在1000mm 以上，直徑較大。圖2(b)～(d)分別為水中丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下文簡(jiǎn)稱濃度）為 1%、2%、3%時(shí)，相同表觀氣速（10.2m/s）下微氣泡群的圖像。可見(jiàn)，表觀氣速一定時(shí)，氣泡直徑隨著水中丙酮濃度的增大而明顯降低，且數(shù)量急劇增多，形成大量微氣泡。這是由于丙酮的稀溶液的性質(zhì)（表面張力、黏度等）與水相比有差異明顯，隨著丙酮濃度增大，微氣泡更易從微孔板孔隙中脫離形成更小的微氣泡，直徑逐漸降低，數(shù)量增多。Kazakis 等[7]測(cè)量了不同低濃度有機(jī)溶液中微氣泡的直徑，發(fā)現(xiàn)其隨著溶液濃度的增大而降低，與本實(shí)驗(yàn)相符。同時(shí)，對(duì)比圖2(a)與2(b)～(d)可見(jiàn)，溶液性質(zhì)對(duì)微氣泡直徑大小的影響很明顯。

圖2 表觀氣速為10.2m/s 時(shí)純水、1%、2%及3%丙酮濃度條件下的微氣泡圖

圖3(a)～(c)分別為圖2(b)～(d)對(duì)應(yīng)的微氣泡直分布，可以看出，隨著丙酮濃度的增大，微氣泡直徑趨于更小，1%時(shí)集中在400～700μm 范圍，2%時(shí)集中在300～600mm 范圍，3%時(shí)集中在300～500μm范圍，根據(jù)Sauter 平均直徑計(jì)算公式[式（1）][8]對(duì)微氣泡的平均直徑進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)丙酮濃度分別為1%、2%和 3%時(shí)，微氣泡的平均直徑分別為647μm、525μm 和509μm?？梢?jiàn)，隨丙酮濃度的增高，微氣泡的平均直徑逐漸降低。

圖3 表觀氣速為10.2 m/s 時(shí)丙酮濃度分別為1%和2%及3%條件下的微氣泡直徑分布

2.2 表觀氣速對(duì)微氣泡的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，表觀氣速對(duì)微氣泡具有一定的影響。圖4 為水中丙酮濃度為0.27%、表觀流速為10.2m/s 和5.1m/s 時(shí)的微氣泡群圖片，圖5 為微氣泡的直徑分布圖。

經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)表觀氣速下Sauter 平均直徑分別為642.8μm 和663.5μm?？梢钥闯?，微氣泡平均直徑隨表觀流速的增大而降低，但數(shù)量增加很多，這是因?yàn)楸碛^流速的增大使得微氣泡能更快從微孔板中脫離，微氣泡之間的聚并減少；同時(shí)，微孔板孔口氣液擾動(dòng)更加劇烈，容易生成更小的微氣泡，故增大表觀氣速會(huì)使得微氣泡平均直徑減小。

2.3 表觀氣速對(duì)吸收率的影響

圖4 0.27%丙酮溶液中不同表觀氣速時(shí)的微氣泡圖

圖5 0.27%丙酮溶液中不同表觀氣速時(shí)的微氣泡直徑分布

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了丙酮質(zhì)量濃度為1.30×10-3kg/m3和1.56×10-3kg/m3、吸收劑為300g 水時(shí)，表觀氣速Ug對(duì)丙酮吸收率的影響。如圖6 可以看出，隨著表觀氣速的增大，吸收率先增大后減小，在表觀氣速為 10.2m/s 時(shí)吸收率達(dá)到最大。這是因?yàn)殡S著表觀氣速的增大，微氣泡的直徑會(huì)降低，數(shù)量增多，傳質(zhì)效率會(huì)增大，吸收率會(huì)增大；但表觀氣速的增大也會(huì)使得微氣泡在水中的上升速率增大，停留時(shí)間降低，故氣速增大到一定程度吸收率反而降低。

2.4 混合氣體中丙酮質(zhì)量濃度對(duì)吸收率的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了表觀氣速為10.2m/s、吸收劑為300g 水時(shí)，空氣-丙酮混合氣體中丙酮質(zhì)量濃度ra對(duì)吸收率的影響，如圖7?？梢?jiàn)，丙酮吸收率隨ra的增高而增高，但可能由于微氣泡的直徑不夠小，傳質(zhì)過(guò)程中仍有阻力和受到氣液相平衡的影響，吸收率未能達(dá)到理想期望。

圖6 表觀氣速對(duì)丙酮吸收率的影響

圖7 丙酮質(zhì)量濃度對(duì)丙酮吸收率的影響

3 結(jié) 論

用微氣泡技術(shù)，以水為吸收溶劑，吸收處理空氣–丙酮混合氣體中的丙酮，探索了丙酮濃度、表觀氣速對(duì)微氣泡直徑的影響，同時(shí)考察了表觀氣速及廢氣中丙酮質(zhì)量濃度對(duì)吸收率的影響，得到以下 結(jié)論。

（1）用微氣泡技術(shù)吸收處理空氣-丙酮混合氣體中的丙酮具有可行性，且具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，也能為處理其他有機(jī)廢氣提供一種新途徑。但由于微氣泡直徑?jīng)]有足夠小，傳質(zhì)過(guò)程中仍存在阻力且受氣液相平衡的影響，吸收率未能達(dá)到理想期望，還有待提高。

（2）隨著丙酮水溶液濃度提高，微氣泡的平均直徑逐漸降低，數(shù)量增多；水中丙酮濃度相同的情況下，微氣泡平均直徑隨表觀氣速的增大而降低，數(shù)量增多。當(dāng)丙酮濃度在1%～3%范圍，表觀氣速為10.2m/s 時(shí)，用多孔微孔板能產(chǎn)生直徑為300～700μm 的微氣泡。

（3）丙酮吸收率隨表觀氣速增大而先增后減，最優(yōu)表觀氣速下，吸收率隨廢氣中丙酮質(zhì)量濃度的 增大而增大，空氣-丙酮混合氣體中丙酮質(zhì)量濃度為1.56×10-3kg/m3和表觀氣速為10.2m/s 時(shí)，吸收率最高達(dá)77.16%。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Ca——水中丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

d32——Sauter 平均直徑，m

di——微氣泡直徑，m

E——丙酮吸收率，%

N——微氣泡直徑分布，%

Ug——表觀氣速，m/s

Pa——空氣-丙酮混合氣體中丙酮質(zhì)量濃度，kg/m3

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