密閉空間有害氣體的吸附工藝研究
摘要:吸附技術是密閉空間比較普遍的凈化方法,而制約其凈化效果的是吸附劑的發展。為了提高吸附技術的吸附效果,研制了一種新型的吸附材料,實驗證明這種吸附材料能夠有效的去除密閉空間中的多種有害氣體。對于CO2 、H2S、NH3 以及NO2 的消除率均達到了82.2 %以上。同時在濕度較大的情況下也能很好的捕集空氣中的粉塵。吸附材料實現了工業化的制備,可以在地下工程或其他密閉環境中得到推廣應用。
關鍵詞:有害氣體,吸附工藝,吸附劑
0 引言
隨著科學技術的發展及公眾對密閉空間有害氣體的重視,關于密閉空間有害氣體的凈化技術也得到了快速發展。目前比較有代表性的有:吸附法、低溫等離子凈化方法、催化凈化法以及臭氧凈化法[123 ] 。低溫等離子空氣凈化技術是涉及高能物理、放電物理、放電化學、反應工程學和高壓脈沖技術領域的一門交叉學科。與其他污染治理技術相比,等離子體法具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點,因而,在工程中得到廣泛運用[426 ] 。趙雷等[6 ] 在研究運用低溫等離子技術凈化空氣中甲苯中發現,在電壓為9 kV ,甲苯含量小于12 g/m3 時,等離子反應器有較高的凈化效率,尤其在低甲苯時,凈化效率可接近于100 %。
但是目前低溫等離子體凈化技術面臨的最大問題是容易產生二次污染物——臭氧,為了避免二次污染物的產生,現在又發展了等離子- 光催化的凈化技術, 但對于光源的嚴格要求又限制了這項技術的運用。催化凈化法是利用催化劑的催化作用將空氣中的污染物轉化為無害物質,或者轉化為比原來存在狀態更易除去的物質的一種方法。按氣態污染物在催化反應過程中的氧化還原性質,催化轉化可分為催化氧化法和催化還原法。如:氮氧化物轉化為氮氣的反應屬催化還原法,而二氧化硫轉化為三氧化硫屬催化氧化法。催化轉化法凈化技術原理在于:利用催化劑中的活化物質來改變正常化學反應的正逆反應速度, 以提高有害物質向無害物質的轉變。
但是目前催化轉化法凈化技術的局限性在于:只適用于單一成分的氣態污染物的凈化,由于每種氣態污染物轉化過程中所需要的催化劑不同,所以對于多種成分共存的空氣凈化不能使用這種方法。
臭氧凈化法是利用臭氧的強氧化性對細菌和病毒進行殺滅,同時它也能對部分VOCs 進行氧化分解。但是研究發現室內污染物間的化學反應都直接或間接與臭氧有關。臭氧能與不飽和烴及氮氧化物反應,并產生大量自由基和官能團,由此引發了多種反應過程,形成本來沒有的污染物[5 ] 。所以在選擇臭氧凈化法要考慮由此可能產生的二次污染物。因此,目前對于室內空氣的凈化比較普遍的是采用吸附法。
1 吸附技術
吸附技術使用多孔性固體處理氣體混合物,使其中所含的一種或幾種組分濃集在固體表面,而與其他組分分開。它具有效率高,能回收有用組分,設備簡單,操作方便,易于實現自動控制。
1.1 吸附過程
根據吸附劑和吸附質之間發生的作用力的性質, 通常將吸附分為物理吸附和化學吸附。
1) 物理吸附:亦稱范德華吸附,是由于吸附劑和吸附質之間的靜電力或范德華引力產生的吸附。物理吸附是一種放熱過程,其放熱量相當于被吸附氣體的升華熱,一般為20 kJ/mol 左右。物理吸附是可逆的,當系統的溫度升高或被吸附氣體壓力降低時,被吸附的氣體將從固體表面逸出。在低壓下,物理吸附一般為單分子層吸附,當吸附質的氣壓增大時,也會變為多分子層吸附。
2) 化學吸附:亦稱活性吸附,是由于吸附劑表面與吸附質分子間的化學反應力導致的吸附。化學吸附也是放熱過程,但較物理吸附放熱量大,其數量相當于化學反應熱,一般為84～417 kJ/mol 。化學吸附的速率隨溫度升高而顯著增加,宜在較高溫度下進行。化學吸附有很強的選擇性,僅能吸附參與化學反應的某些氣體,吸附是不可逆過程,且總是單分子層或單原子層吸附。
物理吸附與化學吸附之間沒有嚴格的界限,同一物質在較低溫度下可能發生物理吸附,而在較高溫度下往往是化學吸附。
吸附凈化法的凈化效率高,特別是對低濃度氣體仍具有很強的凈化能力。但是單純使用吸附技術是很難起到理想的凈化效果,因此,它常作為深度凈化手段或聯合應用幾種方法時的最終控制手段。
1.2 吸附劑
吸附劑是吸附技術的關鍵,目前常用的吸附劑有:活性炭、活性氧化鋁、硅膠以及沸石分子篩等。這些吸附材料對于一些有害氣體能夠起到很好的吸附凈化作用,但是對于密閉空間中的有害氣體如二氧化碳,氨等的吸附效果較差。另外,研究發現傳統的活性炭對于室內有害氣體的物理吸附穩定性比較差,在溫度壓力等條件變化時容易脫附而造成二次污染[6 ] 。所以目前制約吸附技術在密閉環境中的凈化效果主要是吸附材料的發展。課題組經過大量的試驗,研制了一種新型的吸附材料,并實現了工業化的制備方法,目前已運用于國防工程之中,取得了很好的效果。
2 吸附材料的制備
課題組在對多家公司空氣凈化材料進行研究分析的基礎上,不斷探索新的配方和工藝,進行了大量試驗,終于研制成功一種新型的吸附材料。
2.1 吸附劑所用的材料
吸附劑是由脂肪酸鋅鹽、納石灰、聚乙烯醇、羧甲基纖維素納組成,同時還有氨、粘合劑、水等。
2.2 吸附劑制備的工藝流程
經過研究,制定了如下工藝流程:
纖維網→噴涂→烘干→直到纖維上0.6～0.8 kg/ m2 為止→驗收→用塑料膜密封包裝在整個制備的過程中,最大的難點是溫度的控制。由于消除劑與活性碳的烘燥溫度相差很大,活性碳烘燥溫度可以加溫到170 ℃,可以在烘道內加熱, 整個烘道是長2.5 m ,布網經過噴涂后直接進行烘道, 機上車速1 m/min ,只需25 min就可以烘干了。但對吸附劑的噴涂上述工藝是不可行的。因為噴涂吸附劑的過濾網烘燥溫度超過100 ℃就失去吸附性能,而且變成深黃色且吸附劑自身能與空氣中CO2 起作用,自吸附性強,故不能過長時間暴露在空氣中,因此從噴液到烘燥都是密閉式不用烘道而采用箱式烘箱。經過反復實驗后,理想溫度是70～90 ℃為最佳。
2.3 吸附劑的制備過程
首先將脂肪酸鋅鹽優先采用蓖麻油酸鋅43～46 份,納石灰18～21 份,聚乙烯醇0.2～0.9 ,羧甲基纖維素納1.5 %～1.7 %和水32～34 份混合攪拌(可加熱) 呈糊狀液體。放入塑料桶內再加入8 %～12 %的氨水,48 %～52 %的TN21 型粘合劑。
優先采用交聯型丙烯酸復方粘合劑,混合均勻后放入噴涂容器內。
第二步將纖維網平置在噴涂機的傳送帶上。
第三步啟動噴涂機開關,傳動帶以1 m/min的車速將纖維網帶到噴涂架下,噴涂機上的噴嘴內吸附劑凈化液體被4 kg/cm2的壓力噴向纖維網。由于噴嘴被一個往復運動機構所帶動,為此噴向纖維網上的液體呈一直線。由于傳動帶的作用,纖維網不斷地前進, 一層吸附劑凈化層就形成。噴嘴擺動一次數130～ 150 次/min 噴嘴液體分數面積4 cm ×2 cm ,噴嘴離纖維網的高度12 cm。
第四步烘燥,將噴好的吸附劑凈化層的纖維網放入烘箱內加溫到70～80 ℃烘燥,烘燥后再進行第二次噴涂吸附劑凈化層,直到是每平方米的纖維網有 0.6～0.8 kg/m2的吸附劑凈化層。
第五步密封包裝,由于吸附劑凈化層能自行吸附空氣中的CO2 ,為此從烘箱內取出吸附劑凈化層應立即用塑料薄膜加以包裝好。
3 吸附材料在凈化裝置上的運用
為了檢驗新研制的吸附材料對有害氣體的吸附性能,設計將此凈化材料和活性炭材料分別運用于同種型號的凈化裝置上,然后對比它們的吸附效果。
3.1 實驗方案
3.1.1 有害氣體的凈化
在密閉的空間中配備不同濃度的有害氣體,將新研制的吸附材料和活性炭空氣凈化材料,分別裝入同一型號的空氣凈化器內,啟動凈化器,30 min后檢測容器內實驗前后的濃度差。
3.1.2 粉塵的捕集率
在一定濕度(55 %) 的密閉空間中吹入一定量的粉塵,將新研制的吸附材料和活性炭空氣凈化材料, 分別裝入同一型號的空氣凈化器內,然后啟動空氣凈化器。30 min后,測定密閉空間中粉塵量。
3.2 實驗結果及分析
新研制的吸附凈化材料及活性炭凈化材料對有害氣體的凈化實驗結果如表1。
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從表1 中可以看出,傳統的活性炭對二氧化碳幾乎不能起到吸附凈化作用。而新研制的吸附材料對于多種有害氣體的凈化能起到很好的效果,平均達到了91.7 % ,明顯高于傳統的活性炭凈化材料。
對粉塵的捕集實驗結果如表2。
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從表2 中可以看出,新研制的吸附凈化材料在濕度較大的情況下對粉塵的捕集率也非常高, 達到 98 %。
該吸附材料不僅可以運用于空氣凈化裝置中,還可以單獨作用。打開包裝袋將其放于有害氣體濃度較高的密閉環境中,它就能自行吸附有害氣體。
4 結論
1) 吸附法是目前空氣凈化運用比較廣泛的技術之一,而制約其發展的重要因素是吸附材料。傳統的吸附材料對密閉空間中二氧化碳的吸附能力非常弱。
2) 為促進吸附工藝在空氣凈化中的運用,課題組研制了一種新型吸附材料,通過實驗證明,這種吸附材料能夠有效凈化密閉空間中的多種有害氣體。同時在濕度較大情況下對粉塵的捕集率也是非常高。
3) 新研制的吸附材料已經實現了工業化的制備方法,因此可以在地鐵、地下商場、游樂場所等密閉環境中得到推廣應用。
4) 通過對材料的改進,吸附工藝在運用于密閉環境內的空氣凈化中完全可以取得很好的效果[9 ] 。
參考文獻
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