環氧乙烷工業廢氣的吸收/破壞工藝研究

湯澤錛，何孝祥，徐淞華，李繼濤

(浙江新和成藥業限公司，浙江 紹興 312000)

環氧乙烷(Ethylene Oxide，以下簡稱EO)作為一種重要的化工原料，廣泛應用于化工合成領域，如乙二醇、合成洗滌劑、非離子表面活性劑、聚羧酸減水劑等[1-3]。此外，由于EO滅菌效果顯著，對金屬不腐蝕且無殘留氣味等優點，常被用作氣體殺菌劑對醫用用品及貴重儀器進行處理[4]。

但是，EO具有沸點低(常溫常壓下沸點：10.8 ℃)、易揮發、易燃易爆、高反應熱等危險性，且其爆炸極限寬(空氣中爆炸體積為3%～100%)。除此之外，EO具有潛在的高毒性，不僅對人體還是對環境均會產生影響[5]。鑒于EO的高毒性，國內外均制定相應法規進行嚴格要求。依據石油化學工業污染物排放標準(GB31571—2015)中的規定其排放濃度限值為0.5 mg/m3。因此，如何采用最有效的方法和措施對含EO排放氣體進行處理，使其能滿足上述新環保標準的排放，成為EO生產、使用廠家必須要解決的一個環保問題。

目前，國內外對于EO的處理方法主要有催化分解法、冷凝法、緩沖燃燒法和水吸收法等[6-7]。其中水吸收法往往需要對應EO 40倍體積的水量來吸收，不僅成本消耗大，而且廢水的處理也是一大問題。而冷凝法也會導致大量的能耗。所以選擇低成本、高效率的EO處理方法至關重要。催化分解法是以酸或堿為催化劑將EO與水快速反應生成乙二醇的工藝方法，由于分解速率快，在工業上具有廣泛的應用。文獻[8]表明，EO在中性下的水解率很低，在強酸或強堿下卻具有良好的水解速率(機理如圖1所示)。然而，強酸為催化劑時對設備的要求過高，防腐成本也會增加，故而以強堿為催化劑制備的堿液作為EO尾氣吸收液是為最佳的工藝選擇。

圖1 環氧乙烷在酸(a)、中性(b, c)和堿性(d)條件下水解的示意圖，途徑(c)為單純水解反應[8]Fig.1 Schematic representation of the hydrolysis of ethylene oxide under acid (a) neutral, (b, c) and alkaline,(d) conditions, path (c) represents the bare hydrolysis reaction[8]

本文模擬研究了EO尾氣吸收實驗，將EO導入堿性吸收液中進行水解實驗，考察關鍵的參數，如溫度、濃度對EO分解速率的影響，以得到適合工業化的尾氣吸收工藝。

1 實 驗

1.1 主要器材與藥品

EO(AR)，杭州貝斯特氣體有限公司；氫氧化鈉(AR)，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，自制；以上藥品直接使用，未經任何純化處理。

1 L不銹鋼反應釜，大連三靈電子電力設備廠；5 L不銹鋼反應釜，大連三靈電子電力設備廠；液相泵，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；紫外分光光度儀，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；電子天平、玻璃器皿等。

1.2 實驗步驟

1.2.1 溶液配制

堿液配制(以10%堿液為例)：取2700 g去離子水于5 L三口瓶中，加入300 g片堿攪拌溶解。

1.2.2 EO儲罐填充

為便于準確計量EO加入量，將EO填充進1 L不銹鋼反應釜中。

1.2.3 反應步驟

將配制好的3000 g一定濃度的堿液吸入5 L不銹鋼高壓反應釜中，0.3 MPa氮氣置換五次，置換完畢后體系壓力為0 MPa(表壓)。打開攪拌、加熱至指定溫度。升溫結束后，通過液相泵將43 g EO導入反應釜中。EO泵入完畢后，定時從釜中壓出物料，并對其真空處理(>50 ℃)以除去反應液中殘余的EO。由于EO檢測十分困難，故而通過測量吸收液中乙二醇含量計算EO水解速率。其中，紫外分光光度儀被用來測量吸收液中的乙二醇含量。

2 結果與討論

2.1 溫度對EO水解速率的影響

以10%的堿液為吸收液，考察溫度(分別為室溫，即不對反應釜進行任何的換熱處理、30、50、70 ℃)對EO水解速率的影響規律，結果如圖2所示。

圖2 溫度對EO水解速率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on the hydrolysis rate of EO

如圖2所示，隨著反應溫度的提高(由室溫升至50 ℃)，EO水解速率顯著提升，對應EO完全分解所需時間別為120、60、15 min。隨著溫度的進一步提高(由50升至70 ℃)，EO水解速率雖得到進一步提高，對應EO完全分解所需時間為10 min，但提高幅度不大，且溫度的提升也意味著成本的提高。故50 ℃作為反應溫度，可以既快速又低成本的完成EO吸收水解。

2.2 堿液濃度對EO水解速率的影響

在確認了最佳水解溫度后，進一步考察了堿液的濃度(即氫氧化鈉在水溶液中的質量分數，分別為5%、10%、15%)對EO水解速率的影響，結果見圖3。

由圖3所示，隨著堿液濃度的提升(由5%提高至10%)，EO水解速率較為明顯，EO水解所需時間由60 min減少至15 min，說明堿液濃度也是決定EO水解速率的另一關鍵因素。堿液濃度進一步提高至15%時，EO水解速率雖得到一定幅度的提升，卻不是很顯著。故而，從節約成本考慮，10%的氫氧化鈉濃度作為EO吸收水解液是最佳的。

圖3 堿液濃度對EO水解速率的影響Fig.3 Effect of alkali concentration on the hydrolysis rate of EO

3 結 論

本實驗模擬EO工業廢氣吸收/破壞實驗，采用催化分解法對EO進行催化水解，并考察反應溫度、堿液濃度等參數對EO水解速率的影響。結果表明：隨著溫度的升高，EO水解速率不斷提高，但過高的溫度也導致了能耗的提高，50 ℃可實現低成本、高效催化水解EO，是為最佳反應溫度。堿液濃度的提高也使得EO水解速率提高，但堿液濃度進一步提高時，EO水解速率增加緩慢，且成本提高，故而10%堿液濃度即可滿足工藝需求。總的來說，經過關鍵參數的優化后，EO的水解速率顯著提高，且排放濃度顯著降低，說明催化分解法是一種高效、低成本的EO工業廢氣吸收方法。在工業應用上，可采用吸收塔，使得EO尾氣能夠被堿液充分吸收并及時破壞。