聚乙二醇水溶液處理甲苯廢氣的研究

第33卷第2期河南科學(xué)VoL.33 No.22015年2月HENAN SCIENCEFeb. 2015文章編號: 1004-3918(2015)02-185-06聚乙二醇水溶液處理甲苯廢氣的研究趙揚，何璐紅(河南化工職業(yè)學(xué)院，鄭州450002)摘要: 吸收法處理?yè)]發(fā)性有機廢氣的關(guān)鍵是表面活性劑的選擇。選取聚乙二醇水溶液處理甲苯廢氣為研究對象,測定了4種聚乙二醇水溶液的臨界膠束濃度及其對甲苯的增溶作用，并在填料塔中探究了吸收劑中聚乙二醇濃度、進(jìn)口氣體中甲苯濃度和液氣比對甲苯去除率的影響。結果表明,水溶液中聚乙二醇濃度達到1倍臨界膠束濃度時(shí),其對甲苯有顯著(zhù)的增溶作用和去除效果,且甲苯去除率隨著(zhù)增溶量的增加而增大,兩者呈正相關(guān).因此,結合臨界膠束濃度和增溶量的測定可用于表面活性劑的初步篩選。優(yōu)選聚乙二醇- -600 水溶液作為吸收劑,在空氣流量300mL/min,液體噴淋量55mL/min,進(jìn)口氣體中甲苯濃度800mg/m',溫度25C條件下,濃度為1倍臨界膠束濃度的聚乙二醇-600水溶液對甲苯的去除率達到83%;且隨著(zhù)吸收劑濃度、進(jìn)口氣體中甲苯濃度的增大,去除率增加,在填料吸收塔中存在最優(yōu)的液體噴淋量.關(guān)鍵詞:聚乙二醇水溶液;甲苯;吸收;增溶作用;臨界膠束濃度中圖分類(lèi)號: TQ 09; x 78文獻標識碼: AStudy on the Removal of VOCs by Polyethylene Glycol Aqueous SolutionsZhao Yang，He Luhong(Henan Vocational College of Chemical Technology , Zhengzhou 450002, China)Abstract: The key to efficient volatile organic compounds (VOCs) removal by absorption is the appropriatesurfactant. Polyethylene glycol solutions were chosen to absorb VOCs from the industrial plants. Firstly the criticalmicelle concentration (CMC) and the toluene solubilization of four kinds of PEG aqueous solutions weredetermined. And then the effects of the PEG concentration, the inlet toluene concentration and the liquid spray flowrate on the toluene removal rate were studied in a packed absorption tower. The results suggested that both thetoluene solubilization and the toluene removal efficiency in the PEG aqueous solutions were enhanced significantlywhen the surfactant concentration reached above CMC. Furthermore, the toluene removal rate increased with theincrement of solubilization and there was a positive correlation between them, which meant that the preliminarysurfactant screening could be accomplished through the determination of CMC and the solubilization capacity in the :surfactant aqueous solutions. The preferred PEG- 600 aqueous solutions were used as the absorbent， and thetoluene removal rate reached 83% when the gas flow rate was 300 mL/min, the liquid flow rate was 55 mL/min, theinlet toluene concentration was 800 mg/m',T=25 C and the PEG concentration was 1 CMC. The toluene removalrate would increase when either the PEG concentration or the inlet toluene gas concentration increased, and therewas an optimal liquid flow rate.Key words: polyethylene glycol aqueous solutions; toluene; absorption; solubilization; critical micelle concen-tration收稿日期: 2014- 1-20中國煤化工基金項目:國家自然科學(xué)基金項目資助(51003098)MHCNMHG.作者簡(jiǎn)介:趙揚(1979-),男,講師,碩士,主要從事生化產(chǎn)品、三廢處理工藝開(kāi)發(fā)及裝置通信作者:何璐紅( 1986-),女,助教,碩士,主要從事化學(xué)反應過(guò)程和三廢處理.- 186河南科學(xué)第33卷第2期隨著(zhù)各行各業(yè)(石油化I,橡膠和油漆等)的迅速發(fā)展,揮發(fā)性有機廢氣(VOCs)對空氣的污染問(wèn)題越來(lái)越嚴重,對人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境已經(jīng)造成嚴重的影響(1-2,許多國家都頒布了法律條款以限制它的排放5.吸收法處理VOCs工藝成熟，去除率高，一般采用高沸點(diǎn)、低蒸汽壓的有機溶劑4,但仍不可避免地造成二次污染，應用受到限制5].水是最廉價(jià)、最易獲取且最安全、最理想的吸收劑.但是有機廢氣在水中的溶解度很小(在室溫下,苯蒸氣在100g水中的溶解度僅為0.07g)[0,為了增加VOCs在水中的溶解度,可以采用向水中添加表面活性物質(zhì)的方法,增強有機化合物在水溶液中的分散程度,從而增大VOCs的溶解度,提高吸收效率,實(shí)現這一過(guò)程的關(guān)鍵之一是選擇合適的表面活性劑.聚乙二醇(PEG)具有親水的醚鍵和親油的碳碳鍵,對于其用于水吸收法處理VOCs已有--定的研究。陳定勝等”1向5%檸檬酸鈉吸收劑中添加0.5%的PEG--200以提高甲苯的去除率和吸收容量,但是吸收劑用量大,且受pH影響較大. Frederic 等[8)用純的PEG- -300 和PEG- -400作為吸收劑，通過(guò)鼓泡法對不同的VOCs氣體進(jìn)行吸收,研究表明純PEG-300和PEG--400溶液粘度和亨利系數大,不利于VOCs的吸收。F.Cote等01用PEG-400水溶液作為吸收劑,研究了吸收劑中PEG--400體積分數對VOCs氣體的吸收量、粘度和表觀(guān)傳質(zhì)系數的影響，當以50%PEG -400作為吸收劑時(shí),對甲苯吸收量為0.021 g/L,表觀(guān)傳質(zhì)系數4.68 hr",但是鼓泡法不穩定,吸收劑不能循環(huán)利用,聚乙二醇用量大.不同聚合度的聚乙二醇水溶液對于VOCs的處理效果不同,對于PEG的研究還遠未形成系統.臨界膠束濃度(簡(jiǎn)稱(chēng)CMC)和增溶量是表面活性劑的重要特性參數.其中，CMC是指表面活性劑在水溶液中形成膠團時(shí)的濃度,可以作為表面活性強弱的一種度量.增溶量是指單位質(zhì)量表面活性劑所能增溶的物質(zhì)的量,表示表面活性劑對難溶或不溶物增溶的能力,是衡量表面活性劑性能的重要指標之-.[10].D.Kile等早在1989年研究曲拉通系列表面活性劑對DDT的增溶效果時(shí)發(fā)現,只有在表面活性劑濃度大于CMC時(shí)，對DDT才會(huì )有明顯的增溶作用.劉戀等1-131采用微乳液作為吸收劑處理甲苯廢氣,研究了吸收劑對甲苯的增溶效果和吸收效果,結果表明，在濃度達到CMC時(shí),吐溫系列水溶液對甲苯的吸收容量明顯提高.目前,對于水吸收法處理VOCs廢氣過(guò)程中的表面活性劑篩選基本上還建立在吸收裝置上的研究,還沒(méi)有報道將表面活性劑的特性參數與其對VOCs的脫除效果進(jìn)行關(guān)聯(lián).本文選擇聚乙二醇水溶液為吸收劑，考察四種聚乙二醇的臨界膠束濃度及其水溶液對甲苯的增溶量，并在填料吸收塔中進(jìn)行吸收實(shí)驗,分別研究了吸收劑濃度、液體噴淋量、進(jìn)口氣體濃度對甲苯去除率影響;并試圖建立表面活性劑PEG的臨界膠束濃度、增溶量與其對甲苯去除率之間的關(guān)聯(lián)，從而為水溶液吸收劑對V0Cs廢氣的吸收研究與應用提供依據.1材料與方法1.1材料PEG-300, PEG-600, PEG-800, PEG- 1000(阿拉丁);甲苯(衢州巨化試劑有限公司);實(shí)驗用水均為去離子水.主要儀器安捷倫7890A氣相色譜儀;柱塞泵(杭州之江石化裝備有限公司);磁力攪拌器(上海志威電器有限公司);D08流量顯示儀(北京七星華創(chuàng )電子股份有限公司);質(zhì)量流量計(北京七星華創(chuàng )電子股份有限公司);UV2600紫外分光光度計(島津);SHA-C恒溫水浴振蕩器(金壇市富華儀器有限公司);自制吸收塔.1.2吸收實(shí)驗裝置和流程實(shí)驗采用自制的填料吸收塔,塔總高1100mm,填料層高度700mm,塔內徑50mm,填料陶瓷環(huán)φ5mmX8 mm,實(shí)驗裝置如圖1所示.實(shí)驗流程如下:由空氣鋼瓶出來(lái)的空氣經(jīng)質(zhì)量流量計分成兩路氣體,支路1氣體進(jìn)入裝有甲苯液體的甲苯發(fā)生器中(冰水浴控溫),通過(guò)鼓泡方式夾帶甲苯蒸汽后，與支路2氣體在緩沖瓶中混合均勻后經(jīng)塔底進(jìn)入填料吸收塔中.吸收劑由柱塞泵送入塔頂,經(jīng)噴嘴布液,自上而下與含甲苯的空氣逆流接觸,并脫除氣相中的甲苯,吸收甲苯后的液體流入儲液槽中.通過(guò)質(zhì)量流量計控制支路1和2的氣體流量來(lái)控制塔底進(jìn)口氣體中甲苯濃度,吸收前后氣相中的甲苯中國煤化工用標準曲線(xiàn)法,以色譜峰面積定量甲苯濃度,由此計算出甲苯去除率。MHCNMHG1.3 臨界膠束濃度測定表面活性劑在溶液中會(huì )由單體(單個(gè)分子或離子)締合形成膠團，當其達到形成膠團時(shí)的濃度,稱(chēng)為臨界膠束濃度.本文采用滴體積法[2]測定吸收劑的表面張力，從而得到吸收劑的臨界膠束濃度.2015年2月趙揚,等: 聚乙二醇水溶液處理甲苯廢氣的研究氣體取樣處2噸氣體取樣處吸收液1.空氣鋼瓶:2.閥門(mén);3.質(zhì)量流量計:4.甲苯發(fā)生器:5.恒溫槽:6.緩沖瓶:7.吸收塔:8.柱塞泵圖1吸收實(shí)驗裝置流程圖Fig.1 The flow sheet of experimental apparatus for V0Cs absorption1.4 增溶實(shí)驗某些難溶或者不溶于水的有機物可因表面活性劑膠團的形成而大大提高其溶解度,這種現象稱(chēng)為增溶作用4.采用分光光度計法[15]測定并計算出聚乙二醇水溶液對甲苯的增溶量.配制1CMC聚乙二醇水溶液500 mL,量取50 mL配好的溶液置于10個(gè)比色管中,再分別滴入0.004,0.006, 0.008, 0.01, 0.012,0.014, 0.016,0.018, 0.02, 0.024 mL甲苯,加入后立即蓋緊搖勻,在恒溫振蕩器中25 C震蕩2h.用紫外分光光度計測定各溶液的吸光度,測定波長(cháng)為271nm,以吸光度A對甲苯量(mL)作圖,找到增溶極限時(shí)甲苯含量L值,按下式計算表面活性劑對甲苯的增溶量:Aw=1000 L /VC,其中:Aw為甲苯增溶量,mL/g;L為增溶極限時(shí)甲苯體積,mL;V為溶解了甲苯的表面活性劑體積,50mL;C為表面活性劑濃度, g/L(由各聚乙二醇的CMC計算而得).2結果與討論2.1 4 種聚乙二醇臨界膠束濃度的測定實(shí)驗采用滴體積法測定了25C時(shí)四種聚乙二醇的臨界膠束濃度,結果如表1所示,4種聚乙二醇的臨界膠束濃度隨著(zhù)聚合度的增加而減小,PEG-300的CMC為0.06mol/L,而PEG-1000的CMC僅為表1聚乙二醇水溶液 CMC值0.015 mol/L.表面活性劑的大量研究工作都與Tab.1 Values of CMC of PEG aqucous solutionsCMC的測定有關(guān)10-1,當溶液濃度達到臨界膠PEG種類(lèi)常溫下?tīng)顟B(tài)運動(dòng)粘度(25 C)/(Pas) CMCmo/L團濃度時(shí),溶液中大量形成膠團1[18].對于水溶PEG-300液態(tài)1.0-1.7 .0.060液中的聚乙二醇，其分子結構排列如圖2所示，PEG- 600.粘稠狀1.9- -2.10.025整個(gè)分子呈鏈條式結構,其中醚鍵具有親水性，PEG-800膏狀2.2-2.40.023碳碳鍵具有親油性,從分子結構看聚合度越大，PEG-1000蠟狀2.4-3.00.015分子鏈越長(cháng)，碳碳鍵越多，越容易形成膠團，CMC值就越小。2.2 4 種聚乙二醇水溶液對甲苯的增溶作用CH2 H2C中國煤化工實(shí)驗采用紫外分光光度法測定了4種聚乙TYHCNMH GH2G CH2二醇水溶液(PEG- 300, PEG- 600, PEG- 800,~0PEG- 1000)對甲苯的增溶作用，并計算出增溶圖2水溶液中聚乙二醇結構式量,結果如圖3所示.研究發(fā)現,隨著(zhù)聚乙二醇Fig.2 Structural formula of polyethylene glycol in the aqueous solutions- 188河南科學(xué)第33卷第2期分子量的增大,甲苯的增溶量增加,PEG-1000水0.030溶液對甲苯的增溶量達到0.031 mL/g.在聚乙二0.025醇系列中，隨著(zhù)聚合度的增加，分子鏈中親油基增0.020加，在水溶液中形成的膠團數量變多,大量膠團使0.015得更多的VOCs分子插入膠團柵欄中19-0],使得甲0.010苯的增溶量增大.2.34種聚乙二醇水溶液對甲苯去除率的影響0.005控制實(shí)驗條件為空氣流量300mL/min,液體噴PEG- -300 PEG- -600 PEG-800 PEG- 1000淋量75mL/min,進(jìn)口氣體中甲苯濃度800mg/m',溫度25C,吸收劑中PEG濃度均為1CMC時(shí)，研究圖3聚乙二醇水溶 液對甲苯的增溶量了4種不同聚乙二醇水溶液對甲苯去除率的影響，Fig.3 Solubilization quantity of toluene by polyethyleneglycol aqueous solutions結果如圖4所示.4種吸收劑對甲苯去除率大小關(guān)系為: PEG- 1000>PEG- 800>PEG- 600>PEG- 300.在濃度達到CMC時(shí),相同吸收條件下,隨著(zhù)聚合度的增加，形成的膠團數量也在增加，在吸收時(shí)會(huì )有更多VOCs分子溶解到吸收劑中,聚乙二醇水溶液對甲苯的去除率逐漸增加.2.44種聚乙二醇水溶液對甲苯增溶量和去除率之間的關(guān)聯(lián)由圖3和圖4可以看出,對于不同的表面活性劑,其水溶液對甲苯的增溶量與去除率存在一-定的關(guān)聯(lián).兩者關(guān)系如圖5所示,4種聚乙二醇濃度均為1CMC,A、B、C、D分別表示PEG-300、PEG-600、PEG-800、PEG-1000水溶液.由圖5看出，同一類(lèi)型的表面活性劑水溶液對甲苯增溶量越大,其對甲苯的去除率也越高,兩者呈正相關(guān)，結合之前已有的研究1-13,在水吸收法處理VOCs廢氣工藝的表面活性劑篩選中,通過(guò)測定同一類(lèi)型的表面活性劑水溶液在1CMC濃度下對V0Cs的增溶量,根據測定結果,可以推測出表明活性劑對有機物去除率的相對高低,而不用通過(guò)復雜的吸收實(shí)驗就能夠直接篩選出高效的表面活性劑,這--篩選方法簡(jiǎn)便易行.0.900.9 r4DC.8 t0.85器0.7用0.60.80"0.75.4 L0.01).020.03H20 PEG- -300 PEG- 600 PEG-800 PEG-1000增溶量/(mLg')圖44種聚乙二醇水溶液對甲 苯去除率影響圖5甲苯增溶量 與去除率的關(guān)系Fig.4 Efect of four kinds of polyethylene glycol aqueousFig.5 The relationship between toluene solubilization .solutions on toluene removal ralteand removal rale2.5 PEG-600 濃度對甲苯去除率的影響實(shí)驗選用常溫下為液態(tài)、且易溶于水、易操作、價(jià)格便宜的PEG-600作為后續實(shí)驗的吸收劑.控制空氣流量300m[/min,液體噴淋量75mL/min,進(jìn)口氣體中甲苯濃度800mg/m',溫度25C,考察了水溶液中PEG-600濃度對甲苯吸收效果的影響，結果如圖6所示.去離"中國煤化工余效果，穩定后去除率僅為46%.隨著(zhù)吸收劑濃度的增大,穩定后甲苯的去除率也HHCN MH變?yōu)? CMC時(shí)，吸收劑對甲苯的去除率達到82%.聚乙二醇加入到水中后,一方面親油基與中本結合,親水基與水結合,把甲苯和水混合--起,另--方面隨著(zhù)吸收劑中PEG--600濃度增加,膠團聚集數增多,膠團變大,甲苯溶解度增大,有利于吸收甲苯.2015年2月趙揚,等:聚乙二醇水溶液處理甲苯廢氣的研究189由圖6還發(fā)現,當PEG濃度由0增加至1CMC時(shí),吸收效果增加顯著(zhù),而PEG濃度達到1CMC以上后,繼續增加PEG濃度,對甲苯的吸收效果增加不再明顯.說(shuō)明1CMC是表面活性劑吸收劑是否起作用的--個(gè)臨界點(diǎn),在工業(yè)裝置設計和操作中,吸收劑中表面活性劑濃度可以根據其CMC來(lái)確定.2.6液氣比對甲苯去除率的影響控制空氣流量300 mL/min ,進(jìn)口甲苯濃度800 mg/m，,吸收劑濃度為1 CMC,25 C下,考察了不同液氣比下PEG-600水溶液對甲苯的吸收效果,結果如圖7所示.隨著(zhù)液氣比的增大,甲苯去除率先增大后減小，當液氣比為0.18(L/G=300/噴淋量,為體積比)時(shí)甲苯去除率最高為83%,而當液氣比增加至0.32時(shí),甲苯去除率降低至75%.對于填料塔來(lái)說(shuō),選擇合適的液氣比十分重要. Frederic 等[2認為，液體噴淋量太小會(huì )影響傳質(zhì)效率，適當提高噴淋量可以增加湍流程度,使質(zhì)量傳遞增強。另--方面,當噴淋量增大后,會(huì )在吸收塔內壁出現壁流使得氣液接觸不充分,吸收不完全,過(guò)大還會(huì )導致液泛,甲苯去除率降低.0.90.840.80.820.800.78密0.6最0.760.740.50.40.7000.5CMC1CMC2CMC3CMC4CMC0.10 0.15 0.20 0.250.30 0.35PEG-600濃度液氣比圖6PEG-600濃度對甲苯去除率的影響圖7液氣比對甲苯去除率的影響Fig.6 Effect of PEG-600 concentrations on toluene removal rateFig.7 Efet of liquid-gas ratio on toluene removal rate2.7進(jìn)口氣體中甲苯濃度對甲苯去除率的影響在實(shí)驗條件為空氣流量300mlL/min,PEG-600濃度為1CMC,噴淋量75mL/min,25C下,選取甲苯濃度分別為600,800,1000,1200mg/m'進(jìn)行吸收，結果如圖8所示.隨著(zhù)進(jìn)口氣體中甲苯濃度增大,吸收液對甲苯的去除率增大,其中甲苯濃度為1200mg/m'時(shí),去除率最高為83%.i 0.78州0.760.7260080010001200進(jìn)口氣體中甲苯濃度/(mg.m")圖8進(jìn)口氣體中甲苯濃度對甲苯去除率的影響Fig.8 Effct of inlet toluene concentration on loluene removal rate中國煤化工3結論MHCNMHG .1)水溶液吸收劑中聚乙二醇濃度只需達到CMC后,對甲苯顯示出明顯的增溶作用,其對甲苯脫除效果顯著(zhù)增加.-190.河南科學(xué)第33卷第2期2)聚乙二醇水溶液對甲苯的增溶量越大,其對甲苯的脫除效果越好,兩者呈現正相關(guān)的關(guān)系;對于同一種類(lèi)的表面活性劑,根據其對甲苯增溶量的大小即可以篩選出高效的表面活性劑水溶液吸收劑.3)隨著(zhù)進(jìn)口甲苯濃度的升高,甲苯去除率增大;隨著(zhù)噴淋量的增加，甲苯去除率先增加后降低,存在最優(yōu)的液體噴淋量;隨著(zhù)吸收劑濃度的增高，甲苯去除率增大.4)優(yōu)選出PEG-600水溶液作為吸收劑,當廢氣流量300mL/min,液體噴淋量55mL/min,進(jìn)口氣體中甲苯濃度為800mg/m',溫度25C時(shí),濃度為1CMC的PEG-600水溶液對甲苯的去除率達到83%.參考文獻:[1] Batterman S, Jia C, Hatzivasilis G. 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