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趟安建筑科技大学硕十学位论文 微波辐照再生载甲苯活性炭纤维的研究 专业：环境工程 硕二i 二生：段小平 指导教师：黄学敏教授 摘要 吸附法是目前应用最广泛的有机废气处理方法。活性炭纤维作为吸附性能优于活 性炭的高效活性吸附材料，受到越来越多的重视和研究。吸附剂的再生在很大程度上 决定了吸附系统的经济性能，再生操作与吸附操作同样重要。废气处理用活性炭纤维 的再生研究相对于水处理用研究来说还比较少，微波脱附技术是吸附剂再生的一种新 技术，本文选用甲苯为有机废气的代表物，进行了微波加热再生载甲苯活性炭纤维的 研究。 本文研究了四种不同比表面积的粘胶基活性炭纤维对低浓度甲苯废气的吸附性能。 测定了在2 0 。c 时，活性炭纤维对甲苯的吸附等温线，并采用l a n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程对数据进行拟合。实验结果表明：活性炭纤维对低浓度甲苯废气有极强的吸附性 能，l a n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程能很好的拟合实验数据，而f r e u n d l i c h 方程更为合 适。 实验采用k 型铠装热电偶测定活性炭纤维在微波场中的升温行为；微波功率和氮 气线速对其升温影响很大，并且活性炭纤维的量与活性炭纤维温度变化也有很大的关 系。通过解吸率曲线和解吸动力学模式可以看出，微波再生活性炭纤维解吸率高，解 吸时间短。微波功率在4 2 0 w 以上，在3 m i n - - - 4 m i n 内，解吸率可达9 7 以上。再生过 程中，通过正交实验探讨了微波功率、微波辐照时间、氮气线速、活性炭纤维吸附量 和活性炭纤维量等五个因素的对再生效果的影响。得出本实验条件下的再生工艺优化 条件：微波功率为7 0 0 w ，微波辐照时间2 1o s ，氮气线速0 2 m s ，活性炭纤维吸附量为 5 5 0 3 8 m g g ，活性炭纤维量为1 8 5 m g 。实验结果同时还表明了再生次数对活性炭纤维吸 附性能影响不大。 微波辐照再生活性炭纤维方法设备简单，解吸率高，再生时问短，能耗低，活性 炭纤维损耗较小，甲苯气体可利用冷凝法回收，具有很好的应用前景。 关键词：活性炭纤维微波辐照解吸甲苯 、 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d yo nr e g e n e r a t i o no f a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r w i t ht o l u e n eb ym i c r o w a v er a d i a t i o n s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：d u a nx i a o p i n g s u p e r v i s o r ：h u a n gx u e m i n a b s t r a c t a d s o r p t i o ni st h em o s ta p p l i e dm e t h o dt oc o n t r o lt h ee m i s s i o no fv o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ( v o c s ) a c t i v a t e d c a r b o n f i b e r ( a c f ) i s ag r e a ta c t i v ea d s o r b e n ta n d e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gm a t e r i a la n ds h o wg r e a t e rc a p a b i l i t yt h a nt r a d i t i o n a la c t i v a t e d c a r b o n ，b e i n gr e c o g n i z e da n ds t u d i e dm o r ea n dm o r ea sa na d s o r b e n ta d s o r b e n tr e g e n e r a t i o n d e c i d et h ee c o n o m i c a lc a p a c i t yo ft h ea d s o r p t i o n s y s t e ma n d i si m p o r t a n ta ss a l n ea s a d s o r p t i o n t h es t u d yo fr e g e n e r a t i o no fa c fa p p l i e dt oc o n t r o la i rp o l l u t i o ni sl e s st h a nt h e a c fa p p l i e dt oc o n t r o lw a s t ew a t e rp o l l u t i o n m i c r o w a v er a d i a t i o nr e g e n e r a t i o ni san e w t e c h n o l o g yf o ra d s o r b e n tr e g e n e r a t i o ni n t h i sp a p e rw es e l e c tt o l u e n ea sr e p r e s e n t a t i o no f o r g a n i ce x h a u s tg a sa n dr e g e n e r a t ea c fa d s o r b i n gt o l u e n eb ym i c r o w a v er a d i a t i o n t h ep r e s e n tw o r ks t u d i e dt h ea d s o r p t i o no f l o wc o n c e n t r a t i o nv o cs u c ha st o l u e n eo n t o v i s c o s er a y o nb a s e da c ft o l u e n ea d s o r p t i o ni s o t h e r m sw e r ed e t e r m i n e da tt h et e m p e r a t u r e o f 2 0 ，l a n o n u i re q u a t i o na n df r e u n d l i c he q u a t i o nw e r eu s e dt of i tt h em e a s u r e da d s o r p t i o n d a t a t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c fh a v e l a r g ea d s o r p t i o nc a p a c i t y f o rl o w c o n c e n t r a t i o nv o c s ，l a n g m u i re q u a t i o na n df r e a n d l i c he q u a t i o nc a nf i tt h em e a s u r e d a d s o r p t i o nd a t ag r e a t l ya n df r e u n d l i c he q u a t i o nw a s b e t t e r as u i to fe x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sd e s i g n e d i nt h ep r o c e s so fm i c r o w a v er e g e n e r a t i o n ， k - a r m o u r e dt h e r m o c o u p l ec a nb eu s e dt od e t e r m i n et e m p e r a t u r eo fa c fi nm i c r o w a v ef i e l d ， m i c r o w a v ep o w e ra n dl i n e a rs p e e do fc a r r i e rg a si n f l u e n c et h et e m p e r a t u r eo ft h ea c f g r e a t l ya n dq u a n t i t yo fa c f a l s oh a sl a r g er e l a t i o nt ot h et e m p e r a t u r e f r o mr e g e n e r a t i o nr a t e c u r v ea n dr e g e n e r a t i o nk i n e t i c s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tm i c r o w a v er e g e n e r a t i o nr a t ei sv e r yh i g h a n dr e g e n e r a t i o ni sv e r yq u i c k r e g e n e r a t i o nr a t ec a nr e a c h9 7 o r1 1 i g h e ri n3 m i n - - - 4 m i n w h e nm i c r o w a v ep o w e ri sh i g h e rt h a n4 2 0 w b yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t , t h ec o n n e c t i o n b e t w e e nr a t i oo f r e g e n e r a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r s ：m i c r o w a v ep o w e r 、r e g e n e r a t i o nt i m e 、 西安建筑科技大学硕：e 学位沦文 s p e e do f c a r r i e rg a s 、q u a n t i t yo f a c f a n da d s o r p t i o nc a p a c i t yo f a c fa r es t u d i e d o p t i m i z e d c o n d i t i o n so fr e g e n e r a t i o nw e r es u m m a r i z e d t h ec o n d i t i o ni st h a tm i c r o w a v ep o w e ri s 7 0 0 w 、r e g e n e r a t i o nt i m ei s2 1 0 s 、s p e e do f c a r r i e rg a si so 2 m s 、q u a n t i t yo f a c fi s2 3 5 m g a n d a d s o r p t i o nc a p a c i t yo fa c f i s5 5 0 3 8 m g g i tw a sf o u n dt h a tr e g e n e r a t i o nt i m e sh a sn o d i s t i n c ti n f l u e n c eo na d s o r p t i o nt h ep e r f o r m a n c eo f r e g e n e r a t e da c f m i c r o w a v er e g e n e r a t i o nr e q u i r e sl e s se n e r g ya n ds h o r 【e rt i m et h a nc o n v e n t i o n a l r e g e n e r a t i o nm e t h o d s ；t h ee q u i p m e n ti ss i m p l e ；r e g e n e r a t i o nr a t ei sh i 曲a n dt h el o s i n go f a c fi sl i l l e s o ，t h em e t h o do fm i c r o w a v er e g e n e r a t i o nw i l lb ea p p l i e dm o r et oc o n t r o lt h e e m i s s i o n so f a i rp o l l u t a n t s k e y w o r d s ：a c fm i c r o w a v er a d i a t i o n r e g e n e r a t i o n t o l u e n e 2 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名： 黝啤 关于论文使用授权的说明 曰期：洲6 ， 本人完全t , w - 西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者虢斡干导师签蝴噍劢移石支 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 随着近代工业的发展，在石油化工、油漆喷涂、电子元件制造、制药、印刷以及 制鞋等行业中大量使用和排放各种挥发性有机化合物，对大气环境带来极大危害，并 ，“重威胁人体健康。国家环境科技发展“十五”计划纲要中指出我国大气污染问题，m 峻 时，提到在我国部分城市，d j 于挥发性有毒有机物污染导致的癌症与呼吸系统疾病明 显增加，对人体健康构成威胁i lj 。挥发性有机废气己成为颗粒物、二氧化硫和氮氧化物 之后的第三类大气污染物口j 。 1 1 1 挥发性有机物的概念 挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，以下简称v o c s ) 是指在常温下 饱和蒸气压约大于7 0 p a ，常压下沸点小于2 6 0 。c 的有机化合物口1 。上述定义表明碳原子 数小于1 2 的大多数有机物都足v o c s 。除此之外，v o c s 还有以下几种定义：指任 何能参加气相光化学反应的有机化合物：一般压力条件下，沸点( 或初馏点) 低于 或等于2 5 0 ( 2 的任何有机化合物；世界卫生组织( w h o ，1 9 8 9 ) 对总挥发性有机化 合物( t v o c ) 的定义是：熔点低于室温，沸点范围在5 0 2 6 0 c 之间的挥发性有机化 合物的总称。 1 1 2 挥发性有机物的来源 由于煤、石油、天然气是有机化合物的三大重要来源，因而工业上常见的挥发性 有机废气大多数来自煤、石油、天然气为燃料或原料的工业，或者与它们有关的化工 和一些轻工业【3 1 0 工业生产中v o c s 的主要排放源为下列工艺过程或设备：特殊化学品生产，聚合 物和树脂生产，工业溶剂生产，农药和除草剂生产，油漆和涂料生产，橡胶和轮胎生 产，石油炼制，石油化工氧化工艺，石油化工储罐，泡沫塑料生产，酚醛树脂浸渍工 艺，塑料橡胶层压工艺，玻璃钢生产，磁带涂层，电视电脑机壳、仪表、汽车壳和部 件、飞机喷漆，金属漆包线生产，半导体生产，纸和纤维喷涂，纸和塑料印刷1 4 】。 其中芳烃类、醇类、脂类、醛类等作为工业溶剂广泛使用，因而排放量很大。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 3 挥发性有机物的危害 v o c s 的危害主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 对人体的危害 大多数v o c s 有毒、有恶臭，部分v o c s 有致癌作用。如：大气中的某些多环芳 烃、芳香胺、树脂化合物、醛和l e 硝胺等有害物质对机体有致痛作用或者产生真性瘤 作用：一些有机物一般可通过人的呼吸和皮肤而吸收，对人的造血系统、神经系统、 呼吸系统以及肝和肾等器官造成损害。 ( 2 ) 对大气环境的影向 v o c s 在阳光照射下，与大气中的氮氧化合物、碳氢化合物和氧化剂发生光化学反 应，生成光化学烟雾，危害人体健康和作物生长；卤烃类v o c s 可破坏臭氧层。 正是由于v o c s 的上述危害，世界各国都通过立法不断限制v o c s 的排放量。如 1 9 7 0 年美国制订的空气洁净法，就包括了减少v o c s 的排放量，1 9 9 0 年又进行了 修订，要求2 0 0 0 年将v o c s 的排放量减少7 0 。1 9 9 1 年，美国、加拿大、欧洲等2 3 个国家就削减欧洲及北美地区的v o c s 排放量问题签订了协议，规定在2 0 0 0 年前将 v o c s 的排放量削减3 0 以上。1 9 9 6 年日本立法限制5 3 种v o c s 的排放，2 0 0 2 年限 制1 4 9 种v o c s 的排放。其他经济发展较快的国家和地区，也已经开始制订限制v o c s 排放的法规。我国大气污染综合排放标准( g bj 6 2 9 7 - - 1 9 9 6 ) 中对苯、甲苯、二甲苯、 氯乙烯等1 4 类v o c s 规定了最高允许排放浓度、最高允许排放速率和无组织排放限 值吼 1 2v o c s 污染控制技术 1 2 1 常用v o c s 污染控制技术 对v o c s 污染的控制，可以通过研究和使用清洁生产工艺流程和改进设备来达到 减少乃至消除v o c s 排放的目的。然而目前由于受生产技术水平限制，许多行业在生 产过程中仍不可避免地向环境排放或泄漏各种不同浓度的有机废气，这时候就应当考 虑采用回收或不回收( 即破坏性方法) 技术来控制v o c s 污染【2 】【”。图1 1 显示了常见 的v o c s 污染控制技术。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图1 - 1 常见的v o c s 污染控制技术 如图1 1 所示，从处理方式来看，v o c s 污染控制技术分为破坏性和非破坏性技术， 它们分别应用于不同的场合。对于高浓度( 5 0 0 0 m g m 3 ) 或者比较昂贵的v o c s ，宜 采用回收技术加以回收循环利用；而对于中或低浓度( 1 。 ( 3 ) d r 方程 d u b i n i n 等人在p o l a n y i 吸附势理论基础上建立了适用于炭吸附剂等微孔吸附剂的 b u b i n i n 理论，又称微孑l 容积理论，现已被世界公认为描述微孔吸附剂对气体或蒸气的 物理吸附以及判断吸附剂微孔结构特征的最成熟的理论1 9 1 1 ”1 。 d u b i n i n 和r a d u s h k e v i c h 在综合分析了大量吸附特性曲线的基础上，建立了适用于 活性炭微孔吸附剂的d u b i n i n r a d u s h k e v i c h 方程( d r 方程) 。方程表达式为： 蛳x f 一瞻h 刊 p s ， 式中 w 为相对压力p p 。孔中吸附质的平衡吸附容量： w 。一吸附剂的极限吸附容量： e d _ 蒸气在微孔中的吸附位能( k j t 0 0 1 ) ： 亲和系数，表征被预计吸附质吸附势与参照物吸附势的比值，通常以苯 为参照物。 d r 方程反映了均匀微孔吸附剂的结构特征和吸附特性，然而，实际上吸附剂的 微孔大部分是非均匀的，其吸附规律偏离了d r 方程，因此，出现了较为通用的 d u b i n i n - a s t a k h o r 方程( 简称d a 方程) ，方程的形式如下： 肚叫一睁刮 b 。， d a 方程与d r 方程的显著区别是方程中指数n 是可变的 性质。方程也可写成： a = g 。e x 一 一 ! 等m 譬 ” 它用于表征吸附剂的微孔 ( 3 5 ) 式中q 平衡吸附量： q o _ 一吸附剂微孔全部充满时的吸附量。 式中n 表征吸附剂的微i l 结构，当n = l 时，表示吸附剂的孔以大孔为主；当n = 2 时，表示吸附剂的孔以微孔为主；当n = 3 时，表示吸附剂的孔以超细孔为主。参数e 是用来表征吸附质与吸附剂之间的作用的参数，参数的大小反映了吸附质在吸附剂表 面吸附的强弱。 吸附等温线方程还有其他类型，但对于有机物质的物理吸附，上述三种吸附等温方 程就可以满足要求。 由动态实验数据计算平衡吸附量，并做出等温线。实验测定了甲苯在2 0 c 下的吸 附平衡数据。用l a n g m u ir 方程( 式3 - 1 ) 和f r e u n d l i c h 方程( 式3 - 2 ) 进行拟合。 甲苯吸附等温线l a n g m i u r 方程拟合结果见表3 1 。 表3 - 1 甲苯吸附等温线l a n g m u i r 方程拟合结果 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 0 0 盖2 5 0 邑 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 3 0 0 0 o2 0 04 ( 3 06 0 0 8 0 0 甲苯浓度( p p m v ) 图3 - 1 吸附等温线l a n g m u i r 拟合 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 012 0 0 甲苯浓度o p m v ) 图3 2 吸附等温线f r e u n d l i c h 拟合 捌釜蝥簧强盐尝 娜 瑚 伽 伽 钟 一暑邑喇甚蓉措奴糕翅蜒 西安建筑科技大学颂士学位论文 甲苯吸附等温线f r e u n d l i c h 方程拟合结果见表3 2 ： 表3 - 2 甲苯吸附等温线f r e u n d l i c h 方程拟合结果 活性炭纤维吸附甲苯的吸附等温线分别用l a n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程进行拟 合。表3 - l 是用l a n g m u i r 方程进行拟合获得的参数，拟合获得的i f 1 线见图3 1 ( 通过 o r i n g i n 7 0 软件获得) 。l a n g m u i r 方程是在假设吸附剂表面只形成单分子层，一个吸附 位置只i 殁附一个分子的吸附质。它还是能成功地关联实验数据，相关系数r 2 从 o 9 7 8 09 9 5 。用f r e u n d l i c h 方程进行拟合获得的参数见表3 2 ，相关系数r 2 从 o 9 7 7 09 9 8 ，拟合获得的曲线见图3 2 ，从图中看出，f r e u n d l i c h 方程在较宽的范围与 实验的一致性很好，从拟合结果看，两个方程的相关系数都很高，f r e u n d l i c h 方程略好 一些。l n 值处于01 5 o 3 之间说明活性炭纤维对甲苯有很强的吸附性能，这一结论和 文献i 6 1 1 ”j 较为一致。 西安建筑科技大学硕：i ：学位论文 4 微波辐照再生载甲苯活性炭纤维 4 1 活性炭纤维升温行为 将分析纯甲苯液体嚣于锥形瓶里放入微波炉内接受微波辐射，甲苯温度几乎没有 变化，甲苯是弱极性物质，吸收微波能力很小1 1 4 i ：而吸附了甲苯的活性炭纤维或新鲜 干燥活性炭纤维在微波场中都能很快被加热。本文研究微波辐照再生载甲苯活性炭纤 维，活性炭纤维在微波场中的温度变化对再生有决定性作用。因此，研究活性炭纤维 在微波场中的升温行为对于探讨整个再生机理有重要意义。影响活性炭纤维在微波场 中升温行为的主要因素有微波功率、载气线速、活性炭纤维量和活性炭纤维比表面积 等，本文主要考察上述四个因素对活性炭纤维升温行为的影响，然后在此基础上描述 其升温行为。 4 1 1 微波功率对活性炭纤维升温的影响 实验考察了微波功率对活性炭纤维升温行为的影响。选取比表面积为1 0 0 0 m 2 g 、 质量为1 l o 8 0 m g 的活性炭纤维，在不通氮气的条件下，微波功率分别为1 4 0 w 、2 8 0 w 、 4 2 0 w 、5 6 0 w 和7 0 0 w ，通过热电偶测温系统读取各个时刻的温度，温度随时间变化情 况如图4 1 所示。 f 蜊 赠 【l 6 0 0 5 0 0 l o o 0 微波辐射时问s 图4 1 微波功率对活性炭纤维升温的影响 由图4 - 1 可知，温度随时间的变化显示出一个很高的初始加速度，大约6 0 s 之后升 温放缓，其后达到最高值并维持在最高值。其他条件相同时微波功率对活性炭纤维的 西安建筑科技大学硕二e 学位论文 升温行为的影响主要体现为增加微波功率可缩短加热时问，加快升温速率：同时随着 微波功率的增自1 1 ，活性炭纤维最终能达到的温度值增高。从实验所用的五种功率来看， 当功率p = 1 4 0 w 时，活性炭纤维温度最多只能升高到2 3 0 c ，当功率p = 2 8 0 w 、4 2 0 w 、 5 6 0 w 时，活性炭纤维温度分别能升高到3 4 5 c 、3 8 2 。c 5 h 14 5 3 c 。 微波功率与活性炭纤维最高温度的关系如图4 2 所示。从图中可以看出活性炭纤维 的最高温度随着微波功率的加大而逐渐增加，呈很好的线性关系。由此可见，再生过 程中如果要改变活性炭纤维能达到的最高温度，可以通过调节微波功率来实现，改变 微波功率还可以改变活性炭纤维的升温速率。 6 0 0 5 0 0 4 0 0 蓍3 0 0 碴 嘣2 0 0 1 0 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0 微波功率w 图4 - 2 微波功率与活性炭纤维最高温度的关系 以上实验结果可以从活性炭纤维吸收微波能之后和周围环境之间的热交换达到平 衡来解释。没一定质量的活性炭纤维放在石英管中，其体积和表面积分别为v 和a ； 若加热时不通氮气，假设石英管周围环境始终维持t 。不变；活性炭纤维层均匀吸收微 波。实验的结果显示，一定量活性炭纤维在一定微波功率的微波场中，经过一段时间 后温度都会趋向某一固定温度值，并维挣叵温，说明活性炭纤维在微波场中升温并不 存在温度“失控效应”，即活性炭纤维的损耗因子不会随温度的升高而增大，这一结论 与z a h e rh a s h i s h o 等在微波再生吸附了m e t 的活性炭纤维的实验中结论一致。 假设活性炭纤维的介电系数s 。和介质的损耗系数t a n , 9 不随温度的改变而变化，由 在体积v 内介质吸收的微波功率p 。与该处的电场强度e 和频率f 之问有下列关系式： = 2 a s o * t a n 6 e 2 - f v ( 4 - 1 ) 式中 p a _ 一微波功率，w ； s 介电常数，g o = 8 8 5 1 0 。1 2 安秒伏米： o 。介质的介电系数： t a n 每价质的损耗正切； 西安建筑科技大学坝士学位论文 e 电场强度，v c m ： f 微波频率，h z ； v 活性炭纤维体积，n l 。 反应器向周围环境的传热方程可表示如下： 中= k - a ( i 一瓦) ( 4 - 2 ) 式中 中一活性炭纤维向周围环境传递的热量，w ； 总传热系数，w g i n 。2 k ： a 活性炭纤维层的表面积，c m 2 ； t c _ 一活性炭纤维层的温度，k ： t n 反应器周围温度，k 。 当活性炭纤维层吸收的微波能和周围环境的热量交换达到平衡时，应满足式( 4 3 ) ： p = ( 4 - 3 ) 即： 2 碱占1 t a n 6 e 2 - f v = k h a - ( 毛一r o ) ( 4 4 ) 这时式f 4 4 ) 左边各项均为常数，而右边k h 、a 、t o 也为常数，故此时t 。也应为常 数，即能量交换达到平衡后，活性炭纤维的温度应趋向于某一常数并保持不变，活性 炭纤维温度不会产生“失控”无限升高。另外，当微波功率一定时，即式( 4 4 ) 左边值 不变，那么右边因k h 、a 、t o 为与微波功率无关的常数，则t 。与微波功率相关，而且 微波功率越大，r 值越大，即活性炭纤维的温度越高。 4 1 2 氮气线速对活性炭纤维升温的影响 在活性炭纤维再生过程中通氮气时，由于氮气温度较微波辐照的活性炭纤维的温 度低，故氮气线速不同时，必然会带走一部分热量，这样就导致活性炭纤维升温行为 不同。实验选取比表面积为1 0 0 0 m 2 g ，活性炭纤维质量为1 7 8 4 7 m g ，微波功率p = 7 0 0 w 时，氮气线速分别为0 、o 1 2 m s 、0 2 5 m s 和0 3 7 m s 四种情况下，活性炭纤维的温度 变化，实验结果如图4 3 ： 西安建筑科技大学硕： ：学位论文 6 。 5 。 p 4 0 0 蓬3 0 。 堡。o o l 。 0 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 微波辐射时问s 图4 - 3 氮气线速对活性炭纤维升温的影响 氮气线速与活性炭纤维最高温度的关系如图4 - 4 氮气线速( m s ) 圈4 _ 4 氮气线速与活性炭纤维最高温度的关系 由图4 3 和图4 - 4 可知，随着氮气线速的增加沂| 生炭纤维的升温速率明显降低，所 能达到的最高温度也随之降低，这是通入氮气后给活性炭纤维升温带来的直接影响， 因而，从活性炭纤维升温的角度考虑，再生过程中氮气的线速越小，活性炭纤维的升 温越快，否则，升温变慢，不利于甲苯再生；同时，氮气线速过大，即流量过大，将 使出口甲苯浓度降低，不利于甲苯后续处理。另外，还可以看出，活性炭纤维的最高 西安建筑科技大学硕士学位论文 温度与氮气线速呈线性关系，即氮气线速越大，最高温度越低。 以上结论，可作如下解释：在其它条件不变时单位时间活性炭纤维吸收的能量是 一定的，而随着氮气流量的增大，其在单位时问带走的热量也必然增多，这样，活性 炭纤维的升温速率将下降，达到热交换平衡时，活性炭纤维层的温度同样下降。根据 式( 4 4 ) ，当氮气流量不为零，设氮气进口温度为t 。，氮气流量为q n ，氮气的比热为 c n ，氮气密度为p n ，由氮气带走的热量为：q n t p u c 。( r e l ) ，式( 4 - 4 ) 变成： 2 n - e - o g t a n 占e 2 f - v = k h a ( 一r o ) + q i i p n c u ( r e r o ) ( 4 5 ) 由式r 4 5 ) 可以看出，其他条件不变时，活性炭纤维的最终温度随氮气线速的增大 而下降。与实验结果吻合。 4 1 3 活性炭纤维量对活性炭纤维升温的影响 与其他加热方式不同，微波加热是体加热 温行为还与放入石英管中的活性炭纤维量有关 维温度变化的影响情况。 实验表明活性炭纤维在微波场中的升 实验研究了活性炭纤维量对活性炭纤 实验选取比表面积为1 3 0 0m z g 的活性炭纤维，微波功率p = 7 0 0 w ，不通氮气，分 别取不同质量的活性炭纤维放在反应器中进行加热，通过热电偶测温系统，观察在活 性炭纤维质量不同时的升温过程。不同质量活性炭纤维的升温曲线如图4 - 5 所示。 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 0 微波辐射时间s 图4 _ 5 活性炭纤维量对活性炭纤维升温的影响 啪 | | 伽 | ； 瑚 o u蹇b 西安建筑科技大学硕：e 学位论文 活性炭纤维量与活性炭纤维最高温度的关系盘1 图4 - 6 ： 6 0 0 5 5 0 o u5 0 0 赵 赠4 5 0 恒 嘣4 0 0 3 5 0 3 0 0 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 活性炭纤维量m g 图4 _ 6 活性炭纤维量与活性炭纤维最高温度的关系 由图4 - 6 可见，不同质量活性炭纤维在微波场中所达到的最高温度和质量有很大 的关系，在活性炭纤维量0 - - 2 0 0 m g 内，随着活性炭纤维量的增加，活性炭纤维的升温 速率加快，能达到的温度也更高；当活性炭纤维量大于2 0 0 m g 时，升温速率反而降低， 能达到的温度也明显降低。在活性炭纤维量为4 2 0 m g 时达到一个谷值，随后最高温度 缓缓增高，但是明显低于活性炭纤维量少时。可以如下解释，微波对物料的加热属于 体加热，体积越大，相同微波功率时，物料吸收的功率也越大，本实验做活性炭纤维 量与最高温度的关系时采用同一种活性炭纤维，质量与体积成正比，所以活性炭纤维 质量越大，吸收的功率也相应越大，但是，质量( 体积) 增大，活性炭纤维与外界的接 触面积也加大，向环境的传热速率增加，所吸收微波功率用于活性炭纤维升温的能量 减少，另外，根据能量守叵原理，物料体积与吸收功率的线性关系应是在一定体积范 围内的，由于微波输出功率一定，物料物料( 体积) 太大，单位质量( 体积) 物料吸 收的微波能量必然减少，由此也导致活性炭纤维量过多时升温速率和最高温度降低。 4 1 4 活性炭纤维比表面积对升温行为的影响 本次实验考察四种不同比表面积的粘胶基活性炭纤维的升温行为，实验结果表明 比表面积对升温行为的影响不大。见图4 7 。 西安建筑科技火学硕二f ：学位论文 p 赵 廷 5 01 0 0 1 5 0 2 0 02 5 0 3 0 0 3 5 0 微波辐照时间s 图4 - 7 活性炭纤维比表面积对升温行为的影响 4 2 活性炭纤维升温行为的定量表达 物质在微波场中的升温行为还没有能普遍的、便于实际运用的定量公式，但可用 以下经验公式【5 9 】描述。 将升温过程分为两个阶段，第一阶段考虑温度与时间成线性关系即： i = a t + b( 4 6 ) 式中 t f 一活性炭纤维的温度； a ，b 一常数。 第二阶段活性炭纤维升温要缓慢一点，温升与时间成曲线关系，可用下式对曲线 进行拟合： t = ( c t + d ) 1 2( 4 7 ) 式中 c , d 为常数。 对活性炭纤维的升温而言，根据实测结果，其升温和金属矿物等的升温有所不一 样，即活性炭纤维的升温不存在“失控效应”，达到一定温度后不再上升，而金属矿物 等的电导率、比热等的影1 4 自使微波加热的物理参数发生很大改变，从而导致其温度的 不可控。活性炭升温的第一阶段是线性的，但第二阶段的升温却不能用式( 4 - 7 ) 很好的 描述，在文献盼1 4 】哞，说明活性炭纤维升温的第二阶段用负指数函数描述可得到满意的结 果： t = c c 4 7 ( 4 _ 8 ) 西安建筑科技大学硕：i ：学位论文 式中 c , d 为常数。 蒋文举在其博二l 二沦文1 6 0 ig 】采用列数式和二次多项式捕述了微波场i = = j 活性炭的升温 行为，其对数式为： 7 j = a i n t + b ( 4 9 ) 二次多项式为： 7 ；= c t 2 + d t + 月 ( 4 1 0 ) 式中r ，活性炭的温度；a ，b ，c ，d ，n 为常数。 结合实验数据，在微波场中，微波功率p = 7 0 0 w ，a c f 量为3 3 6 7 2 m g ，氮气线速 v = 0 时分别采用对数式和二次多项式对实验数据合，其相关系数r 2 分别为o 8 7 8 9 和 o8 8 9 1 ，而采用两阶段描述其拟合相关系数为o 9 7 6 和o 9 2 7 。其精度要高一点。 综上所述，活性炭纤维在微波场中的升温行为描述分为两个阶段，第一阶段升温 较快，用线性函数描述，第二阶段升温缓慢，可用负指数函数描述。至于第一阶段和 第二阶段的划分，通过观察实验数据得知，以6 0 s 为界，6 0 s 以前为第一阶段，以后为 第二阶段。表4 - 1 列出不同加热条件下的活性炭纤维升温行为方程。 表4 - l 活性炭纤维升温行为的定量表达参数 ( 表中p 微波功率，w ；m 活性炭纤维质量，m g ：v 氮气线速，m s ) 上述表中方程描述活性炭纤维在微波场中的升温行为是符合实际的，虽然从方程 中还不能反映出各影响因素对活性炭纤维升温的影响，但已经能比较真实地反映升温 过程。 4 3 活性炭纤维的解吸率 西安建筑科技大学硕：l 学位论文 研究微波辐照载甲苯活性炭纤维的再生效果，很重要的指标就是活性炭纤维的解 吸率。本次实验测定了比表面积为9 0 0 m 2 g 微波辐照功率p = 7 0 0 w ，氮气线速v - 0 1 2 m s 和比表面积为1 0 0 0m 2 g ，微波辐照功率p = 4 2 0 w ，氮气线速v - 0 2 4 m s 不同条件下的甲 苯解吸率。解吸率曲线如图4 - 8 所示： 孚 褂 督 鐾 = 睁 5 01 0 01 5 02 0 0 辐射时间s 图4 _ 8 活性炭纤维解吸率曲线 由图4 8 可以看出，应用微波辐照再生吸附了甲苯的活性炭纤维，在微波功率 p = 7 0 0 w ，氮气线速v = 0 1 2 m s 的条件下在辐照1 8 0 s 解吸率可达9 0 8 。在微波功率 p = 4 2 0 w ，氮气线速v = 0 2 4 r n s 的条件下解吸曲线更为陡峭，脱附更为迅速，解吸率更 高，辐照1 8 0 s 即可解吸完全。 芷 甜 釜 鉴 l o o2 0 03 0 0 再生时间s 图4 _ 9 微波脱附法与热脱附法再生n a k - i i 的比较 鲫 蚰 0 陋安建筑科技大学硕二l 二学位论文 和传统的热脱附相比较，微波充分体现了快速和均匀加】热的优势，脱附速率较热 脱附快，且脱附效率比热脱附要高。华南理工大学的李忠等人对微波再生含v o c s 的 高聚物吸附树脂做了一些研究，结果表明：对于吸附挥发性有机物的树脂，使用微波 再生法比常规的热再生法不仅有更高的脱附率和再生率，而且微波再生的床层温度要 远低于热再生的床层温度，见图4 - 9 ( 摘自文献3 9 ) 。 篮 褂 莲 蛋 微波辐照时间s 图4 - 1 0 不同吸附树脂对微波脱附率的影响 他们做了三种不同型号( n a k i i 、a b 8 和d 4 0 0 6 ) 的吸附树脂吸附了甲苯蒸气， 在微波功率为3 0 0 w ，载气线速为o 4 2 m s 的条件下的脱附率曲线见图4 - 1 0 ( 摘自文献 3 9 ) 。从图中可以看出除n a k i i 外其余两种树脂对甲苯的微波脱附率都比较高( 可达 9 0 ) ，且所需的时间也比较少。在结合本次实验结论，微波解吸吸附了甲苯的活性炭 纤维解吸率高，且解吸更迅速。 4 4 微波解吸动力学模式 对于解吸传质过程，如将活性炭纤维各时刻的吸附量与平衡吸附量之差( g g + ) 视为 传质推动力，传质速率常数用总传质系数k 表示，则解吸动力学方程可用下式表示： 粤k ( qq ) ， ( 4 1 1 ) “f 式中 q 活性炭纤维上的甲苯吸附量，m g g ： k _ 速率常数，s ； q + 活性炭纤维的平衡吸附量，m g g 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 如用差分式代替式左边的微分项，则为： 玺一k ( q - q * ) 。 ( 4 - 1 2 ) 式中( g g + ) 。为t 时问内的平均传质推动力，活性炭纤维中甲苯残留量与时问的 关系【f | j 线如图。 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 微波辐照时间( s ) 图4 - 1 1甲苯的残留量与时间的变化 根据不同时间的垒a 里t 值和( q - q ) 。值，即可求出k 值。根据实验数据分别计算出笪a t 值及相应时间( g - q + ) 。值如表所示。 表4 - 2 ( a ) 根据实验数据得出的a q a t 值及相应时间( q g + ) 。值( 解吸条件：p = 7 0 0 w ，v - - o 1 2 m s ) 将表4 - 2 ( a ) 中的詈值及( g g ) 。值作线性回归得出k = o 0 0 9 4 s 。 表4 - 2 ( b ) 根据实验数据得出的a q a t 值及相应时间( q g ) 。值( 解吸条件：p - - 4 2 0 w ，v = o 2 4 m s ) 将表4 2 ( b ) 中的笔值及( q g + ) 。值作线性回归得出k = 0 0 3 5 s 。由k 值大小可比 凸 较，在微波功率p = 4 2 0 w ，氮气线速v = o 2 4 r i g s 的条件下解吸传质速率远大于p = 7 0 0 w ， v = o 1 2 m s 时的条件。表明氮气线速对脱附过程的影响是相当大的。 渤 湖 娜 言 m 啪 o 丑暑ili一百：跚w察睁掣l=鞍釜蜒 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 5 活性炭纤维的损耗率 解吸过程中活性炭纤维的损耗率是指解吸后活性炭纤维的损耗量与解吸前活性炭 纤维量之比，是活性炭纤维再生技术评价的一个重要指标，低损耗率意味着活性炭纤 维的利用率高。再生损失的结果，决定着需要补充多少数量的新活性炭纤维。实验结 果表明氮气线速、微波功率和活性炭纤维的量对活性炭纤维损耗率的影响较大。 4 5 1 氮气线速对活性炭纤维损耗率的影响 活性炭纤维的表面具有以羟基、羰基或羧基等形式结合的丰富的含氧官能团，氧 元素含量可达1 6 1 5 i ”1 。在微波场中活性炭纤维中碳氧发生氧化反应而造成燃烧损失。 实验测定不同氮气线速吹扫下，在微波功率p = 4 2 0 w ，辐射时间t = 1 8 0 s 条件下，一定 质量的比表面积为1 0