一種新型甲苯吸收劑的復配及性能評價

于夢琦，朱仁成，李順義，陳思佳

(鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

甲苯會引起人體疲勞、頭疼、眩暈和代謝失調等癥狀[1-3]。常見的甲苯廢氣處理方式有吸收法、吸附法、冷凝法、催化燃燒法與生物法等[4-5]。經對比發現，吸收法是一種高效、簡便的處理方式[6-10]。

吸收劑分為有機溶劑和表面活性劑兩大類[11]。巫先坤等[12]采用新型礦物油對甲苯廢氣進行吸收，初始吸收率可達97%。伍志波等[13]以生物柴油、水、Tween-80、正丁醇制備微乳液，吸收率高達91.14%。劉英等[14]在油水比(質量比)為7∶3時，對甲苯廢氣的去除率可達到90.3%。陳定盛等[15]對廢機油的吸收效果研究表明，廢機油對甲苯的去除率達到 95%～98%。但以上研究均未對純吸收劑復配后的吸收效果進行研究，本研究采用吸收法，以甲苯為目標污染物，分別測定了植物油、礦物油比例復配后的新型有機吸收劑對甲苯的吸收效率、飽和吸收量等指標，結果表明復配后的新型吸收劑對甲苯的飽和吸收時間及飽和吸收量均有明顯提高。

1 實驗部分

為了篩選低價易得的甲苯吸收劑，本研究在單種有機液體吸收甲苯的基礎上又對吸收液進行了比例復配，研究了植物調和油、礦物油及按比例復配后的復合油分別吸收不同濃度甲苯的飽和吸收量及吸收效果隨時間變化的關系。

1.1 材料與儀器

甲苯純度≥99.5%，購自煙臺市雙雙化工有限公司;礦物油、植物調和油均為市場化的成品油，在表 1 中列舉了吸收液的部分物理化學性質。

表1 吸收劑理化性質Table 1 Physical and chemical properties of absorbent

HH-1恒溫水浴鍋；NDJ-5S粘度計。

1.2 實驗裝置

圖1為本研究的實驗裝置示意圖。整個反應裝置由兩路組成：空氣支路、甲苯支路；空氣支路通過轉子流量計控制進口氣量；甲苯支路由轉子流量計控制空氣流量對甲苯液體進行吹脫，HH-1恒溫水浴鍋對甲苯瓶進行恒溫水浴，以穩定吹脫出的甲苯氣體濃度。空氣與吹脫出的甲苯氣體在混合室中進行混合，混合后的甲苯廢氣進入吸收管被吸收劑吸收。吸收后的甲苯廢氣經MiniRAE 3000(PGM 7340，RAE Systems)進行濃度測定[16-18]。通過NDJ-5S粘度計對吸收劑的粘度進行測定。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

1.3 實驗內容

本實驗首先對純礦物油及植物調和油對甲苯的吸收能力進行了測定。將50 mL 純有機吸收劑加入吸收裝置，向裝置內通入0.8 L/min的不同濃度甲苯廢氣，每隔5 min測定一次吸收裝置出口濃度，直至進出口甲苯濃度平衡。將礦物油與植物調和油分別按照1∶1,2∶1,4∶1,1∶2,1∶4進行復配，將50 mL 復配后的吸收劑加入吸收裝置，向裝置內通入0.8 L/min的不同濃度甲苯廢氣，測定其飽和吸收時間。

為確保mini3000測定的準確性，對mini3000與氣相色譜的測定那個數據進行了對比，對比結果見表2。

表2 甲苯濃度數據對比Table 2 Comparison of toluene concentration data

由表2可知，便攜式測定儀在低濃度時與氣相色譜儀所測試出的結果相對偏差達到6.67%左右，但隨著濃度逐漸增高，二者的相對偏差逐漸減小，但是當濃度增高至10 000 mg/m3以上時相對偏差又呈現增大趨勢，這與便攜測量儀的量程范圍有關。結果說明在便攜測定儀的量程范圍(50～15 000 mg/m3)內測量結果具有較高的準確性。

2 結果與討論

2.1 不同進氣濃度對飽和吸收時間及吸收效率的影響

分別向純礦物油吸收劑內通入1 000,2 000,4 000,8 000,10 000 mg/m3的甲苯廢氣，純礦物油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果見圖2，植物調和油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果見圖3。

圖2 純礦物油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果Fig.2 Absorption effect of pure mineral oil absorbent on toluene waste gas

圖3 植物調和油吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果曲線Fig.3 Absorption effect curve of plant blending oil absorbent on toluene exhaust gas

圖2、圖3為不同甲苯進氣濃度對兩種純吸收劑吸收效果的影響。由圖可以看出，兩種吸收劑在吸收初始階段均對甲苯有較好的吸收效果，礦物油是從石油、煤炭、油頁巖中提取和精煉的，含有一定的苯系物成分，故通過相似相溶原理[17]對甲苯廢氣進行吸收，對各進氣濃度的初始吸收效率均達到99%以上，且初始甲苯出口濃度均低于50 mg/m3[18]。植物調和油對甲苯的初始凈化效率略低于礦物油，甲苯進口濃度處于8 000～10 000 mg/m3時的出口濃度大于150 mg/m3，但仍能達到95%以上，這與Ozturk B,Yilmaz所做的研究結果相似[19]。 隨著甲苯進氣時間的增長，兩種吸收劑對甲苯的吸收效率均發生明顯下降，同時隨著進氣甲苯濃度的增大，兩種吸收劑的飽和吸收時間均逐漸減少，隨著進口甲苯濃度從1 000 mg/m3增加至10 000 mg/m3，兩種吸收劑對甲苯的初始吸收效率均逐漸增大，與岑超平在甲苯進口濃度增大時的吸收劑吸收效率變化規律類似[20]。隨著進口甲苯濃度的增大，礦物油的飽和吸收時間從155 min縮短至80 min，植物調和油的飽和吸收時間從145 min縮短至65 min。

2.2 植物調和油與礦物油復配后對飽和吸收時間及吸收效率的影響

將植物調和油和礦物油按1∶4,2∶1,1∶1,1∶2,4∶1的體積比比例進行復配，以1 000 mg/m3的甲苯進氣量為例對其吸收效率及飽和吸收時間進行測定，見圖4。

圖4 復配后吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果曲線Fig.4 Absorption effect of absorbent on toluene exhaust after compounding

由圖4可知，植物調和油和礦物油分別按照1∶1,2∶1,1∶4,1∶2,4∶1復配后的飽和吸收時間分別為：305,295,285,165,225 min，較純吸收劑的飽和吸收時間均有明顯延長。但復配后吸收劑的初始吸收效率僅分別為93.27%,93.46%,89.71%,92.22%,89.14%，較純吸收劑單獨吸收時吸收效率95%以上有了明顯降低。可能的原因為兩種吸收劑密度不一，吸收初始階段在甲苯廢氣作用主要進行的是兩種吸收劑的液-液接觸，故初始吸收效率較低，待兩種吸收劑完全混勻后由甲苯廢氣推動下的液-液接觸逐漸轉變為甲苯廢氣與混合吸收劑的氣-液接觸。在幾種復配比例中，1∶1復配后的飽和吸收時間達到305 min，初始吸收效率大于93%，吸收效果最佳。

圖5 復配后吸收劑對甲苯廢氣的吸收效率曲線Fig.5 Absorption efficiency curve of absorbent toluene exhaust gas after compounding

2.3 復配前后吸收劑的飽和吸收容量

利用以下公式，通過積分法計算吸收劑對甲苯的飽和吸收量：

式中QS——吸收劑飽和吸收量，mg/g；

Q——甲苯進氣量，m3/min；

t——吸收飽和時間，min；

C進——進口甲苯濃度，mg/m3；

C出——出口甲苯濃度，mg/m3；

m——吸收液質量，g。

圖6為純礦物油、植物調和油礦物油1∶1復配及純植物調和油對1 000,2 000,4 000,8 000,10 000 mg/m3甲苯的飽和吸收濃度。由圖6可以看出，礦物油的飽和吸收量略大于植物調和油的飽和吸收量，且均在甲苯進口濃度8 000 mg/m3時飽和吸收量達到最大，礦物油和植物調和油的最大飽和吸收量分別為10.2,6.0 mg/g。進行1∶1復配后的吸收劑在各個濃度的飽和吸收量均有了一定程度的提高，其中在甲苯進口濃度4 000 mg/m3時飽和吸收量較單種吸收劑有了大幅提高，從原先的礦物油飽和吸收量僅6.19 mg/g，植物調和油飽和吸收量4.61 mg/g大幅提升至13.62 mg/g。

圖6 不同甲苯進氣濃度下的吸收劑飽和吸收量Fig.6 Absorbent absorption of different toluene atmospheric concentration

為探究其飽和吸收量增大的原因，對礦物油、植物調和油及1∶1復配后的吸收劑粘度進行了測定，測定結果見表1。復配后的吸收劑與純礦物油相比黏度有所降低，粘度較低的溶劑吸收劑的液膜分子間內摩擦阻力較小，甲苯進入溶劑吸收液的阻力也較小，吸收效果較好[9]。而純植物調和油雖本身粘度較低，但本身與甲苯相似成分較少，故飽和吸收量較低。

3 結論

本研究在單種有機液體吸收甲苯的基礎上又對吸收液進行了比例復配，研究了植物調和油、礦物油及按比例復配后的復合油分別吸收不同濃度甲苯的飽和吸收量及吸收效率隨時間變化的關系，得出以下結論：

(1)純礦物油的最大飽和吸收時間為155 min，植物調和油的最大飽和吸收時間為145 min，而1∶1復配后的新型吸收劑最大飽和吸收時間大幅增加至305 min，隨著甲苯進口濃度增大，3種吸收劑的飽和吸收時間均有明顯減少。

(2)礦物油及植物調和油均對甲苯有一定吸收能力，且初始吸收效率均能達到95%以上，但吸收劑飽和吸收時間較短，飽和吸收量相對復配后較小，最大僅為8 000 mg/g3濃度下10.2 mg/g，且隨著進口甲苯濃度增大，飽和吸收時間縮短明顯。

(3)礦物油與植物調和油按照一定比例復配后得到的新型吸收劑，對甲苯的飽和吸收時間及飽和吸收量均有明顯提高，在甲苯進口濃度4 000 mg/m3時飽和吸收量達到13.62 mg/g，但初始階段吸收效率相對單種吸收劑均有所下降，整體上新型吸收劑>礦物油>植物調和油。