甲苯和异丙醇在活性炭固定床上的吸附动力学研究

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大气中的挥发性有机污染物(VOCs)对人体和生态环境都有着巨大的危害,是一类最为典型的大气污染物,VOCs的控制和治理受到了广大科研工作者的关注。在众多的VOCs净化技术中,活性炭固定床吸附法以其高效、经济、能耗低、无二次污染的特点成为现在最有效的净化技术之一,但对于传统装填的活性炭固定床,一直存在传质速率低、床层阻力高和床层利用率低的问题。采用多功能结构填料技术构成的结构化固定床,相对于传统的固定床吸附器具有透过时间长、传质效率高、传质阻力低、床层利用率高的特点,近年来成为固定床吸附技术新的发展方向。本文主要研究了印刷、包装行业排放的典型VOCs组分甲苯和异丙醇在活性炭固定床和结构化固定床上的吸附行为,深入探讨了甲苯和异丙醇单组分和双组分在活性炭固定床和结构化固定床的吸附机理和传质机理。首先,本文研究了甲苯和异丙醇在活性炭上的单组分和双组分吸附平衡。分别采用Langmuir吸附等温方程和Freundlich吸附等温方程对甲苯和异丙醇单组分吸附平衡实验数据进行了拟合;同时,分别采用扩展的Langmuir方程和理想吸附溶液理论对甲苯和异丙醇双组分吸附平衡实验数据进行了拟合。结果表明,Langmuir吸附等温方程能更好地描述甲苯和异丙醇单组分在活性炭上的吸附平衡;理想吸附溶液理论拟合结果与实验值相对误差较小,能更好描述甲苯和异丙醇双组分在活性炭上的吸附平衡。其次,本文研究了甲苯和异丙醇在活性炭固定床上的单组分和双组分吸附动力学。分别考察了体积流率、床层高度和出口浓度等因素对甲苯和异丙醇单组分在活性炭固定床上吸附透过曲线的影响规律,采用基于总传质系数的线性推动力方程结合固定床质量平衡方程计算了单组分理论吸附透过曲线;同时,还考察了不同浓度比例下甲苯和异丙醇双组分在活性炭固定床上的吸附透过曲线。结果表明,甲苯和异丙醇单组分在活性炭固定床上的吸附透过时间会随着体积流率和出口浓度的不断增大而减小,随着床层高度的增大而增大。用基于总传质系数的线性推动力方程结合固定床质量平衡方程计算出的单组分理论吸附透过曲线和实验值有较好的吻合,计算出的总传质系数对于体积流率较为敏感,对出口浓度和床层高度不敏感;在甲苯和异丙醇双组分竞争吸附过程中,吸附能力强的甲苯能从活性炭上置换出吸附能力弱的异丙醇,异丙醇会先从固定床中透过,同时异丙醇在活性炭上的传质速率要远大于甲苯在活性炭上的传质速率。最后,本文研究了甲苯和异丙醇在结构化固定床上的单组分和双组分吸附动力学。通过在固定床的进出口端分别装填颗粒活性炭和活性炭纤维构成结构化固定床,考察了不同床层对甲苯和异丙醇单组分吸附透过曲线影响规律,分别采用Yoon-Nelson模型和BDST模型对吸附透过曲线进行拟合;同时研究了不同浓度比例甲苯和异丙醇双组分在活性炭结构化固定床上的吸附透过曲线。结果表明,随着活性炭纤维装填量增加,甲苯和异丙醇单组分在活性炭结构化固定床上吸附透过时间不断提前,在活性炭纤维装填量分别达到30%和20%时,甲苯和异丙醇分别在活性炭结构化固定床上吸附速率常数达到最大,随着活性炭纤维装填量增加,甲苯在结构化固定床上50%透过时间和吸附容量的值不断减小,异丙醇则几乎不变;在双组分吸附过程中,甲苯和异丙醇在活性炭结构化固定床上吸附速率常数远大于其在传统固定床上的吸附速率常数。
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