苯通过活性炭固定床的透出浓度与时间的动态关系_王宁

收稿日期:2002-01-25作者简介:王宁(1970-),男,陕西汉中人,2003年毕业于华南理工大学,硕士,工程师,主要从事环境化工研究。基金项目:广东省自然科学基金资助项目(980528)。苯通过活性炭固定床的透出浓度与时间的动态关系王宁,陈秋燕,袁文辉,关建郁(华南理工大学,广东广州510641)摘要:用气相色谱法,测量苯的不同进样浓度,通过活性炭床透出浓度(C)与时间(t),绘制C—t曲线图。各图形均类似反正切曲线。以曲线对应的函数,建立了反正切函数的线性关系方程C=A+Ktg-1(t-τ),作为数学模型基础。对该方程求时间的导数,获得透出速度分布方程,当C等于进样浓度C0的1/2时,t=τ,有最大速度K,它是吸附剂对吸附物作用的特征常数。为了验证数学模型可靠性,经相关与回归计算,结果显示,透出浓度与时间的反正切值之间,均呈高度正相关(r≥0.9927)。初步认为,建立的C—t方程是可行的。但由于进样浓度不同,方程的有关常数不一样,使之不便应用。然而,由于方程常数K和τ的对数与进样浓度的对数高度线性相关(r≥0.9999),常数为进样浓度的指数函数。于是,用进样浓度C0代替K和τ,使方程可适应于不同进样浓度下的应用。同时,还讨论了活性炭吸附苯过程中稳定及非稳定吸附的定量关系和相关机理。关键词:苯;活性炭;吸附;透出浓度;时间;数学模型中图分类号:X78文献标识码:A文章编号:1001-2141(2003)03-0019-03挥发性有机物(VOCs)苯,常见于涂漆、制鞋、印刷、橡胶加工及各种化工生产过程的有害蒸气。长期接触后,通过吸入或皮肤吸收到体内,引起急、慢性中毒。急性中毒,可引起呼吸麻痹。慢性中毒,导致肝功能、造血器官及神经系统损害,严重的可出现再生障碍性贫血,甚至白血病。孕妇中毒,可致胚胎畸变或胎儿的生长发育迟缓[1-3]。活性炭吸附脱除VOCs是有效方法[4-5]。这方面已有不少研究[6-8]。但许多研究,常应用连续性方程计算活性炭对含苯废气吸附量,来评价吸附力。有关苯通过活性炭床的透出浓度与时间动态关系的研究,尚未见报导。而这些规律,对定量研究和及时监控活性炭吸附过程有重要意义。本研究,采用气相色谱法[9-10],测量苯透过粉末活性炭固定床的透出浓度与时间,发现二者之间存在反正切函数关系。1实验方法1.1实验试剂:活性炭,80-100目(新华活性炭厂)。苯,分析纯(广州东方红化工厂)。1.2实验条件单柱装填的活性炭重量11.46g,原料气为空气+苯组分,吸附柱长度10.5cm,吸附柱的内径1.8cm,装填密度0.429g/cm3,床层空隙率εB为0.4,温度30℃,相对湿度80%。1.3活性炭预处理取活性炭200g于大烧杯中,先加清水洗3次,接着用浓度为5%的氢氧化钠洗3次,再用5%的盐酸洗3次。然后用蒸馏水洗至中性,在室温下晾至半干。将晾好的活性炭装在蒸发皿中,放入马福炉,在200℃下,通入氮气保护,再生1h,取出后置于真空干燥器中,并抽真空半小时,待用。1.4色谱柱的填充及色谱条件的选择1.4.1柱内径选用4mm×2m的色谱柱。1.4.2柱的填充将已洗净烘干的色谱柱一端塞上玻璃棉,包以纱布,接于真空泵。在不断抽气下,在色谱柱的另一端通过小漏斗慢慢加入已涂渍好的固定相(载体为101白色单体,固定液为β有机皂土,比例为5%)。在装填的同时,不断轻轻敲振管壁,使固定相均匀而紧密地填入,直至固定相填满为止。接真空泵的一端接到检测器上,使气流方向与装填方向一致[9]。1.4.3柱的老化在比操作温度略高的条件下,将已填充好的色谱柱安装在色谱仪气路中(柱出口不与检测器相连),通入载气(氢气),将色谱柱内的温度用程控升温,3h内升到145℃,载气加热24h,第二天将柱出口与检测器相连。基线平直,结束老化。1.4.4检测器采用热导池检测器,苯和空气的量用归一法算出第25卷第3期重庆环境科学2003年3月重量百分比含量。1.4.5色谱条件进样器温度110℃,载气流速40ml/min,柱温80℃,热导池温度110℃,桥路电流150mA。1.5实验装置及操作1.气泵;2.转子流量计;3.缓冲瓶(内有硅胶);4.VOCs发生器;5.蛇形冷凝管;6.混合瓶;7.阀门l;8.阀门2;9.吸附柱;10.气相色谱;11.记录仪;12.积分仪图1活性炭吸附VOCs实验装置图实验取适量的苯加入三口瓶中,然后调节触点温度计到所定的温度,开始水浴加热。当水浴温度稳定后,开动空气泵。气流分为两路,一路通到VOCs发生器中,另一路经广口瓶干燥后,与VOCs在三口瓶混合。一段时间后打开阀门让气体流入气相色谱的六通取样阀,测阶跃(指各种不同进气浓度)浓度C0,如浓度不是所需浓度,调节水浴温度来调节VOCs的浓度,直到达到所需浓度并稳定为止。一共测10次