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活性炭的孔径分布较广,吸附质从活性炭表面脱附出来主要取决于孔道内的扩散阻力,而沸石分子筛为均匀的孔道结构,决定吸附质从其表面脱附的主要因素是吸附强度[23]。从活性炭脱附的安全性出发,本文仅在90℃脱附温度工况下对30℃、300mg˙m-3达到吸附平衡后的活性炭和沸石分子筛进行了不同截面风速的脱附实验。脱附实验出口累计平均浓度相对于其吸附时进口浓度的比例,即浓缩倍数,结果如图6(a)所示,此温度下浓缩倍数不高,脱附时间较长,当断面风速为0.4m˙s-1时,活性炭的浓缩倍数峰值约为4.5倍,沸石分子筛约为2.1倍,在90℃的工况下,二甲苯从沸石分子筛表面脱附的难度要大于活性炭。
吸附等温线显示沸石分子筛在90℃的平衡吸附量为30℃平衡吸附量的50%以上,必须提高沸石分子筛的脱附温度才能达到较好的脱附效果。对在30℃温度、进气浓度约300mg˙m-3工况下吸附饱和后的分子筛进行的210℃脱附再生实验结果如图6(b)所示。沸石分子筛得到较完全脱附。
如图6(b)所示,当吹扫截面风速由0.3、0.2到0.1m˙s-1逐渐变小时,脱附浓缩倍数峰值时间随之增大,峰值分别出现在第8、16和32min,与吸附进口浓度对比浓缩了约48~60倍,此脱附实验存在烘箱辅助加热,故所得浓缩倍数约为极限浓缩倍数。相对比于90℃时的沸石分子筛脱附情况,此温度下浓缩比显著增大。
沸石在不同断面风速下脱附量随时间的变化如图7所示,脱附量均随时间逐渐增加,大致呈现出前期增速较快后期趋于平缓,断面风速较大的工况表现更为突出。以恢复工作容量为5%为例,断面风速为0.3m˙s-1时所需时间为10min,时间最短,0.2m˙s-1需要约16min,断面风速为0.1m˙s-1时,则需要27min,耗时最长,输入的洁净空气量分别为248.8、241.3和203.6L。综上,实验区间内随风速增大,脱附速度也加快,但所需能耗增加。
沸石分子筛吸附并在210℃时脱附,重复实验50次后,未发现吸附容量下降,其比表面积、孔容、孔径的测试结果如表4所示,表明分子筛多次重复使用对其性能影响不大。
2.5基于吸附等温线的再生能耗分析
以二甲苯为例,分析比较了活性炭和沸石分子筛的低温再生过程的能耗,即比较再生出单位质量的VOCs能耗的差异。活性炭比热容统一取0.84kJ˙(kg˙K)-1,沸石分子筛比热容取0.92kJ˙(kg˙K)-1,可利用的工作容量选择为沸石分子筛和活性炭分别在30℃与80℃2个温度之间吸附容量的差值。不同二甲苯进气浓度下吸附饱和后在80℃工况下脱附再生,假设加热壳体以及散热等影响按照所需热量的20%计。
如图8所示,在低浓度二甲苯进气工况下(小于500mg˙m-3),从活性炭再生出单位质量的二甲苯所需能耗在0.5~0.7kJ˙g-1,沸石分子筛的能耗则为1.5~2.1kJ˙g-1。沸石分子筛作为吸附材料处理单位质量的二甲苯所需能耗为活性炭的2.9~4.2倍。总的来说,活性炭在此区间内的工作容量更大,在处理低浓度二甲苯废气时所需再生能耗较低。而沸石分子筛的高温安全性优于活性炭。因此,如采用沸石分子筛为吸附材料可采用定期高温脱附,并利用浓缩比高的优势,脱附后气体可燃烧处理;活性炭为吸附材料时,可就地采用80~90℃气体进行低温脱附,脱附出的浓缩气体可以采用移动式二次吸附,从而提高工艺经济行,相关结果可参见以往研究[24]。
3结论
1)表征结果显示,沸石分子筛和活性炭均含有丰富的均匀微孔结构,沸石分子筛孔径均匀,活性炭孔径分布较广且总体大于沸石分子筛。
2)对二甲苯而言,沸石分子筛的平衡吸附量总体小于活性炭,沸石分子筛的平衡吸附量随平衡浓度和吸附温度的变化要小于活性炭。
3)当截面速度为0.3~0.5m˙s-1时,沸石分子筛单位传质区长度平均传质速率为活性炭的约1.42~1.66倍。
4)二甲苯从沸石分子筛表面脱附的难度大于活性炭。当采用90℃以下的低温脱附再生时,活性炭较沸石分子筛具有更大的工作容量。沸石分子筛在210℃时脱附较彻底,且可得到48倍以上的浓缩脱附气体。50次的吸附、脱附重复实验对沸石分子筛的性能影响不大。
5)活性炭在80℃再生出单位质量吸附质的能耗低于沸石分子筛。沸石分子筛的热稳定性使其适用于安全要求较高的场合。
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