基于超重力耦合吸附及催化燃烧技术净化甲苯的工艺研究

发布时间：2020-05-09 04:20

【摘要】：在石油化工、煤化工、日常生活等领域,VOCs(Volatile Organic Compounds,挥发性有机污染物)对人类健康和生存环境造成严重危害,不仅对人身体产生不适症状,而且易参与化学反应产生烟雾及臭氧等二次污染。VOCs的净化已经成为研究热点,与环境保护和安全稳定生产密切相关。生态环境日益恶劣、人们环保意识和要求提高、涂装汽车行业的快速发展、工业有机源的大量使用,都对VOCs净化提出更高的要求。国家环保部、发改委等机构联合制定“十三五挥发性有机物污染防治工作方案”中提到,要全面加强挥发性有机物污染防治,促进环境空气质量持续改善。在众多净化VOCs方法中,吸附和催化燃烧因其净化度高、操作简单、投资和运行费用低、无二次污染等优点得到较为广泛的应用。吸附常用设备为固定床,存在吸脱附效率低、吸附剂使用寿命有限且利用率差等缺点;催化燃烧技术的核心为催化剂制备,采用常规浸渍法制备催化剂存在活性组分负载量低、分散性和重现性差等缺点。寻求一种吸脱附传质效率高、制备催化剂性能好的装置与技术,对于延长吸附剂及催化剂使用寿命、提升VOCs净化率意义重大。本文结合超重力技术,耦合吸附与催化燃烧方法,开发了一种新型净化VOCs工艺,拓展了超重力技术应用领域。超重力技术在气液和液液方面进行了大量研究,展现出良好的传质效果。但在气固和液固方面仍处于探索阶段。本文开发了超重力旋转吸附床和超重力旋转浸渍设备,对甲苯进行吸附和催化燃烧性能研究,科学地揭示了超重力技术在气固和液固方面的作用机制。超重力吸附技术可实现快速吸脱附、吸附剂寿命延长、节能降耗;超重力催化剂制备技术有效提升催化剂负载量且保持良好分散性,具有广阔的应用潜力。超重力旋转吸附床为吸脱附设备,活性炭为吸附剂,甲苯为吸附质,在0-50m~3/h处理气量的试验规模下对吸脱附性能进行研究,并对比固定床与旋转床的吸脱附效果,结果表明:相同工况条件下,旋转床的饱和吸附量、吸附速率、吸附位点、床层利用率均高于固定床,表现出优异的吸附性能;由Weber-Morris颗粒扩散模型可知旋转床的吸附分为表面吸附、颗粒内扩散和吸附平衡三过程,颗粒内扩散的贡献率最大,相比固定床,旋转床有效实现深孔吸附,提高活性炭利用率。旋转床吸附性能与操作工况条件有关,高超重力因子、中低甲苯进口浓度、适宜进气流量和床层厚度有利于吸附量和床层利用率的提升。以饱和活性炭为实验体系,相同工况条件下,对比了固定床与旋转床的脱附效果,通过脱附曲线可知旋转床有较高脱附率和较快脱附速率,可实现饱和活性炭深度再生,延长活性炭使用寿命;同时,考察温度和超重力因子对饱和活性炭的脱附性能,温度是脱附关键因素,超重力因子越大,脱附效果越好,经旋转床脱附活性炭表现出较优吸附性能,为工业脱附技术提供一种新的思路。为进一步提升活性炭吸附性能,开发了超重力法碱改性活性炭吸附甲苯工艺。通过改性活性炭红外、孔径结构、官能团含量等一系列表征,考察超重力改性和传统搅拌改性对甲苯的吸附性能。结果表明:超重力法改性活性炭表面碱性官能团含量提升,碱性物质没有在活性炭表面形成富集而破坏孔结构;相同浓度碱溶液下,超重力改性活性炭的吸附能要高于传统搅拌,有效提升化学吸附;由吸附模型分析吸附机理可知,超重力法改性活性炭吸附甲苯仍属于微孔吸附为主的单分子层吸附,通过提升化学吸附提高吸附性能;对比超重力法改性活性炭在旋转床和固定床的吸附性能发现旋转床的吸附性能优于固定床。针对传统浸渍法制备金属催化剂负载量低、金属氧化物分散性差的劣势,结合超重力技术传质效率高、液体分散均匀的特性,开发了超重力法制备复合过渡金属催化剂工艺,不仅解决金属易烧结、成本高的问题,而且有效提升催化剂催化活性。研究结果表明:超重力法制备复合金属催化剂表面活性金属氧化物分散系均匀、无团聚现象,且负载量大;负载量随旋转床转速增大而增加,随活性组分流量增大先增加后减小;复合金属催化剂比单一组分表现出更好的催化活性,这归结于Cu/Mn间协同作用提供很多吸附氧,进而提升催化活性;与传统浸渍法相比,超重力法制备催化剂保持了载体丰富孔径结构,活性组分并无堵塞孔道,以均匀负载膜形式存在载体表面和孔道。本文开辟了用于催化燃烧VOCs催化剂制备的新方法,有效解决传统工艺催化剂活性低、重现性差的问题。采用超重力法制备复合金属催化剂,对其催化燃烧甲苯性能进行研究。结果表明:相同摩尔比超重力法制备复合金属催化剂展现出低温催化燃烧性能;催化燃烧甲苯动力学结果表明超重力法制备催化剂的氧化速率高,这源于催化剂较高的负载量和良好分散性,为催化氧化提供了较多吸附位点和活性位点;超重力法制备催化剂实现低温催化燃烧性能,经600min后仍保持良好的稳定催化性能。本研究工作提供了一种高性能、低成本催化剂制备工艺,拓展超重机技术应用范围。总之,本文创新性提出超重力设备与吸附、催化燃烧工艺,开发了超重力技术耦合吸附与催化燃烧VOCs新技术并探讨基础研究理论,拓展了超重力过程强化技术的应用范围,提供了一种高效节能、绿色环保的净化VOCs工艺。
【图文】：

实验研究技术路线图

基于超重力耦合吸附及催化燃烧技术净化甲苯的工艺研究

超重力旋转吸附床结构示意图
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;X78

【参考文献】