吸附乙酸己酯的活性炭纖維脫附安全性分析

孫永嘉，李 明，方 潔，徐遵主，張紀(jì)文

(南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份公司，江蘇 南京 210093)

乙酸己酯是一種常見的酯類，沸點(diǎn)171.5 ℃，具有濃郁果香味，毒性低于常見小分子量的乙酸酯類[1]，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)器件印刷和烘干工序。乙酸己酯的嗅閾值僅為0.018 ppm，遠(yuǎn)低于常見的有機(jī)溶劑[2]，乙酸己酯使用過程揮發(fā)產(chǎn)生的VOCs容易帶來異味擾民和周邊居民投訴的問題。采用“吸附濃縮+燃燒法”治理乙酸己酯等VOCs廢氣是解決電子行業(yè)異味擾民的有效方法[3-4]，該方法將濃縮后的溶劑燃燒潛熱回用于吸附裝置的脫附，從而實(shí)現(xiàn)吸附劑吸附性能的再生。由于乙酸己酯沸點(diǎn)較高，要想高效地對吸附裝置進(jìn)行再生就需要使得脫附溫度達(dá)到170 ℃左右，而乙酸己酯的燃點(diǎn)只有235 ℃，由于吸附劑表面存在多孔催化效應(yīng)，會降低起燃溫度，加之脫附過程存在的溫度分布不均問題，容易引發(fā)安全事故?？紤]到干凈的活性炭纖維在450 ℃以下不存在燃燒的可能性[5]，且活性炭纖維吸附容量和脫附性能較好[6-7]，采用活性炭纖維作為吸附劑研究吸附乙酸己酯的活性炭纖維在高溫下的陰燃情況，進(jìn)而分析吸附了乙酸己酯的活性炭纖維脫附時(shí)的安全性，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DHG-9030A恒溫干燥箱；SX2-2.5-12箱式馬弗爐；JY20002電子天平；HH-2恒溫水浴鍋；ACO-006電磁式空氣泵；PV6001手持式氣體檢測儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

CP C8H16O2；BET1600活性炭纖維。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺

圖1 吸附工藝實(shí)驗(yàn)平臺Fig.1 Adsorption process experiment platform

實(shí)驗(yàn)平臺主要包括吸附工藝實(shí)驗(yàn)平臺和樣品恒溫氧化實(shí)驗(yàn)平臺，吸附工藝實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示。樣品恒溫氧化實(shí)驗(yàn)平臺主要包含恒溫干燥箱和箱式馬弗爐，恒溫干燥箱用于活性炭樣品烘干預(yù)處理；箱式馬弗爐用于吸附飽和后的活性炭纖維陰燃實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)試劑

CP C8H16O2；BET1600活性炭纖維。

1.5 實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)前，取一定量的活性炭纖維在恒溫干燥箱烘干1 h直至質(zhì)量穩(wěn)定，設(shè)定干燥溫度為240 ℃，確保實(shí)驗(yàn)所用的活性炭纖維存儲過程吸附的水分和不穩(wěn)定揮發(fā)分可以充分烘干釋放。干燥完成的樣品在干燥環(huán)境中冷卻至環(huán)境溫度裝填至吸附器中，在吸附工藝實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，當(dāng)排氣濃度與進(jìn)氣濃度相差不超過5%時(shí)，認(rèn)定為吸附劑吸附飽和。吸附飽和后的活性炭纖維取出放入箱式馬弗爐中恒溫氧化，進(jìn)行陰燃實(shí)驗(yàn)。

1.6 評價(jià)指標(biāo)

活性炭纖維對乙酸己酯的吸附效果用飽和吸附率k1表示：

k1=m2/m1×100%

式中：k1為乙酸己酯飽和吸附率，%；m2為污染物的飽和吸附量(吸附后的增重)，g；m1為烘干后的樣品質(zhì)量，g。

活性炭纖維陰燃發(fā)生的程度用陰燃質(zhì)量損失率k2表示：

k2=Δm/m1×100%

式中：k2為陰燃質(zhì)量損失率，%；Δm為陰燃時(shí)，活性炭纖維質(zhì)量損失，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭纖維對乙酸己酯的飽和吸附率

烘干后的活性炭纖維在進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，對乙酸己酯的吸附能力表現(xiàn)出一定的差異，但總體波動不大，飽和吸附率基本保持在56%～66%之間，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中所使用的活性炭纖維對乙酸己酯的飽和吸附率最高可達(dá)到65.3%，明顯高于傳統(tǒng)顆?；钚蕴亢头涓C活性炭的飽和吸附率。

吸附容量的提高，尤其是穿透容量的提高，可以有效減少“吸附濃縮+燃燒法”VOCs處理工藝中吸附劑的使用量，從而減小設(shè)備體積，降低成套裝備加工、運(yùn)輸及管理成本，對整個(gè)工藝的工程化推進(jìn)有著重要的意義。

圖2 活性炭纖維對乙酸己酯的飽和吸附率數(shù)據(jù)Fig.2 Saturated adsorption rate data of ACF to hexyl acetate

2.2 乙酸己酯吸附飽和的活性炭纖維陰燃溫度

陰燃產(chǎn)生需要達(dá)到一定的能量要求，實(shí)驗(yàn)過程恒溫氧化在200～240 ℃的溫度范圍進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)過程存在偶然性因素及測量誤差，本研究擬定質(zhì)量損失率超過3%的認(rèn)定為發(fā)生陰燃，發(fā)生陰燃的實(shí)驗(yàn)為有效實(shí)驗(yàn)組。相關(guān)有效實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)記錄見表1，活性炭纖維對乙酸己酯陰燃溫度分布及質(zhì)量損失率見圖3。

表1 活性炭纖維吸附己酸己酯的安全風(fēng)險(xiǎn)評估數(shù)據(jù)Table 1 ACF adsorption safety risk assessment data for hexyl acetate

圖3 活性炭纖維對乙酸己酯陰燃溫度分布及質(zhì)量損失率Fig.3 Smoldering temperature distribution and mass loss rate of ACF saturated of hexyl acetate

表1、圖3數(shù)據(jù)表明，恒溫氧化溫度達(dá)到230 ℃時(shí)，吸附飽和乙酸己酯的活性炭纖維樣品均發(fā)生不同程度的質(zhì)量損失，質(zhì)量損失最大的達(dá)到27.8%，質(zhì)量損失最小的為7.5%，且絕大多數(shù)的質(zhì)量損失都保持在15%～25%之間。恒溫氧化溫度為225 ℃時(shí)，存在一定概率的陰燃情況。說明吸附飽和乙酸己酯的活性炭纖維樣品，由于在活性炭纖維的活性位點(diǎn)上的多孔催化效應(yīng)，恒溫氧化溫度未達(dá)到乙酸己酯的燃點(diǎn)時(shí)也會發(fā)生陰燃現(xiàn)象。

當(dāng)恒溫溫度小于225 ℃時(shí)，多組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)樣品均未發(fā)生質(zhì)量減少，表明當(dāng)溫度低于225 ℃時(shí)，吸附了乙酸己酯的活性炭纖維不會發(fā)生陰燃。從表中結(jié)果可以看出，當(dāng)溫度低于225 ℃時(shí)，質(zhì)量損失存在負(fù)值情況，即恒溫氧化后的質(zhì)量相比于烘干預(yù)處理后反而增加了，推測可能是因?yàn)楹銣匮趸瘻囟鹊陀诤娓蓽囟?，在恒溫氧化爐中活稱量時(shí)發(fā)生二次吸附。

3 結(jié) 論

在一定堆密度下，特定規(guī)格的活性炭纖維在吸附乙酸己酯飽和時(shí)，陰燃溫度在225～230 ℃之間，均低于活性炭纖維和乙酸己酯的燃點(diǎn)，多孔結(jié)構(gòu)材料的催化效應(yīng)使得燃點(diǎn)下行約10 ℃。使用“活性炭纖維吸附濃縮+燃燒法”治理乙酸己酯等VOCs廢氣時(shí)，設(shè)置脫附溫度時(shí)需要考慮燃點(diǎn)下行的問題，保證充足的安全裕量，避免發(fā)生安全事故。應(yīng)對乙酸己酯這類燃點(diǎn)與沸點(diǎn)非常接近的污染物系的吸附工藝安全問題，可以通過以下兩種方式解決。一方面減薄床層，減少熱積蓄可能性，在滿足吸附處理效果的前提下，盡量使用較少的活性炭纖維；另一方面減小脫附溫度的波動范圍，增加控溫精度。