纳米树脂吸附处理正己烷废气的工程实例

王 宁，朱兆坚，周 兵，郭孝虎，阮志伟，翟廷婷，张炜铭,2

（1.江苏南大环保科技有限公司 国家环境保护有机化工废水处理与资源化工程技术中心，江苏 南京 210046；2.南京大学环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏 南京 210023）

0 引言

挥发性烷烃类化合物在工业中应用广泛，其中正己烷作为一种重要的有机溶剂，可作为有机合成的溶剂、食用植物油的提取剂、橡胶和涂料的溶剂以及颜料的稀释剂等。由于正己烷具有低沸点、易挥发的特性，它在生产过程中极易挥发并污染大气，同时又造成大量的资源浪费[1]。当前，吸附技术在挥发性有机物（VOCs）治理领域得到广泛研究和应用[2-3]，江苏南大环保科技有限公司成功研发出的NDA 系列VOCs 专用新型吸附材料可根据吸附对象尺寸进行人为调配，具有比表面积大、易于再生、疏水性较强、吸附温升较缓和、安全性高、耐温范围大等优势，在挥发性有机废气资源化回收利用方面具有极大的应用前景[4-7]。

本研究采用NDA-150型纳米吸附树脂作为吸附剂，以正己烷为吸附对象开展动态吸附实验，探究吸附温度、初始浓度、停留时间等因素对树脂动态吸附的影响，同时研究了树脂脱附蒸汽用量等问题，从而为后续工程优化设计提供依据。

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

主要仪器：玻璃吸附柱Ф40×320 mm（实验室自制）；9890A 通用型气相色谱仪 (上海俊奇仪器设备有限公司)：恒温水槽（金坛实验仪器厂）；AL204型电子天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）：正己烷，分析纯（南京化学试剂有限公司）；NDA-150 纳米吸附树脂（江苏南大环保科技有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米吸附树脂的预处理

首先，称取一定量废气专用型NDA-150 纳米吸附树脂，采用4.0%的HCl 溶液润洗，再用去离子水洗至中性。然后，用4.0%的NaOH 溶液润洗，再用去离子水洗至中性。最后，在索式提取器中用无水乙醇抽提8 h，在105℃条件下烘干后置于广口瓶中保存备用。

1.2.2 动态吸附行为研究

纳米树脂动态吸附实验装置由配气系统、控温系统、吸附系统等3 个部分组成，见图1。废气进入吸附柱，吸附柱通过循环水浴进行保温，废气中正己烷废气浓度可利用气相色谱仪分析得出。

2 结果与讨论

2.1 操作条件对动态吸附的影响

吸附柱内装填150 g 经预处理后的NDA-150纳米吸附树脂，树脂装填高度为40 cm，研究不同的吸附温度、进气浓度和停留时间等因素对树脂动态吸附正己烷的影响，本研究以Ct/C0=0.10为穿透点，穿透吸附量通过穿透曲线面积计算求得，曲线面积在Origin2019 软件中积分求得，各吸附条件下穿透时间和穿透吸附量见表1。

表1 各种工况条件下纳米树脂的穿透吸附情况

由表1可知，延长停留时间、降低吸附温度和增加进气浓度均可提高纳米树脂对正己烷的穿透吸附量，各个条件对穿透吸附量的影响比较见表2。

表2 进气浓度、吸附温度及停留时间对穿透吸附量的影响

图1 动态吸附柱装置示意

精确控制N2气量，其中一路通入装有正己烷的配气瓶，制得饱和的正己烷蒸汽，另一路作为稀释气与其在缓冲瓶中混合稳定，通过流量器来调节2 路气体的气量比，从而配制得不同浓度的正己烷废气，进气温度、进气浓度及停留时间均对正己烷的穿透吸附量产生重要影响。为考察各条件对穿透吸附量影响的大小，定义ΔT为各条件的变化量；ΔM为相应穿透吸附量的变化量；|ΔM/ΔT|为各条件对应的穿透吸附量平均变化率绝对值，|ΔM/ΔT|值越大，说明所对应的因素对穿透吸附量的影响越大。由表2可以得出，进气温度对正己烷的穿透吸附量影响最大，停留时间的影响较小。

2.2 操作条件对脱附的影响

吸附饱和正己烷后的纳米树脂通常采用0.10 MPa 的蒸汽进行再生，同时采用深度冷凝法对吹脱出来的正己烷废气进行回收利用，脱附率按照式（1）计算得出，本实验探究不同蒸汽用量对树脂脱附率的影响。

式中：Y为纳米树脂的脱附率；m1为树脂吸附前的质量，g；m2为树脂吸附后的质量，g；m3为冷凝后的正己烷油相的质量，g；m4为水中溶解的正己烷质量，g。

不同蒸汽用量对纳米树脂的脱附率影响见表3。

表3 不同蒸汽用量对纳米树脂的脱附率影响

由表3可知，针对吸附饱和正己烷的纳米树脂，利用吸附正己烷总量2倍的蒸汽基本就可以将树脂脱附完全，这主要得益于纳米吸附树脂孔径分布适中，除含有大量微孔外，还含有一定比例的中孔及大孔，这些中孔、大孔可以作为吸附质分子扩散进入微孔内部的通道，吸附作用力较弱，扩散速度快，易于脱附。

2.3 实验研究参数

通过小试研发确定的最佳工艺参数如下：吸附温度：20℃；吸附形式：采用双柱串联吸附；单柱吸附停留时间3 s；穿透吸附量：210 mg/g 干树脂；再生工艺参数：2倍树脂对正己烷吸附量的饱和蒸汽（0.1 MPa）+冷风吹扫降温。

3 工程应用

3.1 废气工况条件

宿迁某医药企业合成车间产生的高浓度正己烷废气，经前端2 级冷凝回收处理后，还有部分未冷凝下来，废气中正己烷质量浓度约10 000 mg/m3，气量约2 500 m3/h，业主要求出口废气中正己烷质量浓度低于80 mg/m3，同时对正己烷进行资源回收利用。

3.2 树脂吸附处理工艺流程

宿迁某医药企业正己烷废气树脂吸附处理与资源化工艺流程见图2。

图2 废气处理与资源化工艺流程框

3.3 主要构筑物及设备型号

（1）废气预处理系统1套；配套设备：引风机1台，Q=3 000 m3/h，P=5 800 Pa，N=7.5 kW，变频电机；除雾器1台，设计尺寸：D×H=1 400 mm×2 000 mm，材质为SUS304。

（2）树脂吸附塔3台，设计尺寸：D×H=1 800 mm×3 200 mm，有效容积为5.0 m3；材质为SUS304，内装填纳米吸附树脂2.1 m3；配套设备：操作平台1座，设计尺寸：L×B×H=8.0 m×5.0 m×5.0 m，材质为碳钢。

（3）树脂脱附系统1套；配套设备：冷却风机1台，Q=1 500 m3/h，P=3 600 Pa，N=4.0 kW，变频电机；一级冷凝器1台，F=30 m2，材质为SUS304；二级冷凝器1台，F=5 m2，材质为SUS304。

（4）溶剂回收系统1套；配套设备：油水分离器1台，设计尺寸：L×B×H=1.0 m×1.0 m×2.0 m，有效容积为2.0 m3，材质为SUS304；油相计量槽1台，设计尺寸：L×B×H=0.6 m× 0.6 m× 1.2 m，有效容积为0.4 m3，材质为SUS304；水相暂存槽1台，设计尺寸：L×B×H=0.8 m×0.8 m×1.5 m，有效容积为1.0 m3，材质为SUS304；油相输送泵2台，型号25CQ-15，Q=5.0 m3/h，H=15.0 m，N=1.1 kW，1 用1 备，变频电机；水相输送泵2台，型号IHF40-32-160，Q=6.3 m3/h，H=32.0 m，N=2.2 kW，1 用1 备，变频电机。

3.4 运行处理效果

该废气处理工程化装置调试运行期为15 d，各单元的运转情况正常，吸附处理后的废气中正己烷浓度完全优于约定的指标要求，并且每天可以回收585 kg 的正己烷溶剂，处理前后的工况条件见表4。

表4 正己烷废气治理各单元处理指标情况

3.5 经济指标分析

该废气通过树脂吸附技术进行治理后，不仅可以解决该废气排放的难题，同时每天还可从废气中回收585 kg 的正己烷溶剂，折合经济价值约4 680元，每天处理费用约1 700元，扣除运行成本还有可观的经济效益。

4 结论

（1）本项目选择NDA－150 纳米树脂作为正己烷废气关键吸附材料，再利用蒸汽进行脱附处理，使得吸附饱和的树脂能够彻底恢复吸附性能，为今后类似项目提供了一定的研发经验思路。

（2）通过小试研发确定的最佳工艺参数如下：吸附温度：20℃；吸附形式：双柱串联吸附；单柱吸附停留时间3 s；穿透吸附量：210 mg/g 干树脂；再生工艺参数：2.0倍树脂对正己烷吸附量的饱和蒸汽（0.1 MPa）+冷风吹扫降温。

（3）实际工程实践中取得了与小试研发一致的效果，树脂吸附工艺对正己烷的去除率稳定大于99.2%：出口废气中正己烷的质量浓度稳定低于80 mg/m3，成功解决了该企业正己烷废气的排放问题。

（4）本工程装置占地约100 m2，投资约140万元，每天回收正己烷质量约585 kg，回收效益约4 680元，扣除运行成本还有较大盈余。经测算，2 a 内就可收回全部工程投资费用，从而实现了环境效益与经济效益的有效统一。