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不同吸收液处理甲苯废气研究

dahua1981

2020/09/25

私聊

气体检测

不同吸收液处理甲苯废气研究

摘要：含甲苯废气是化工、医药企业常见的一类有机废气，对人体及环境危害严重，是迫切需要解决的一种有机污染物。本文选择BDO、DEHA、柠檬酸钠、干薄荷提取液、鲜薄荷提取液五种吸收剂，优化了实验条件。结果表明：1,4-丁二醇(BDO)对甲苯具有较高的吸收效果，薄荷精油仅起到调节吸收剂气味的作用，与美国产品相比较，BDO的吸收效率略高，在吸收甲苯的工程应用上，BDO具有处理成本低、效率高、操作简单等特点。

关键词：甲苯废气；BDO；DEHA；柠檬酸钠；干薄荷提取液；鲜薄荷提取液

中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：

The Study on Treatment of Toluene Waste Gasby Different Absorption Liquid

Abstract：Toluene waste gas was a kind of commonorganic waste gas of chemical and pharmaceutical enterprises that should betreated urgently, which had serious injury on environment and human health. Inthis paper,BDO, DEHA, sodium citrate, dry mint extractand fresh mint extract were chosen as the absorbent, and its optimizedexperimental conditions and treatment effect were also discussed. Theorthogonal test result showed that

1,4-(BDO) has a high absorption effect on toluene;the essential oil of mint is to adjust thesmell of the absorbent;compared with the United States, theabsorption efficiency of BDO is slightly higher; in theengineering application of absorption of toluene,BDO has the characteristics of low cost,high efficiency, simple operation and so on.

Keywords: Toluene waste gas; BDO; DEHA; Sodium citrate; Dry mint extract ; Freshmint extract

企业排放的有机废气中通常含有硫氧化物、氮氧化物以及苯系物等有毒有害气体，其中，甲苯废气是有机废气的重要组成部分^【¹^】。作为一种普遍使用的有机溶剂，甲苯被广泛用于化工、制药、涂装和皮革胶合等各种生产过程，是产生工业异味的重要来源。甲苯气体对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用，重症者可有躁动、抽搐、昏迷，长期接触可发生神经衰弱综合征，肝肿大等严重危害人体健康的疾病，对空气、水环境及水源可造成潜在的污染。甲苯分子化学结构稳定、不易降解和不溶于水，给其净化处理带来困难。目前，对于甲苯废气的净化处理，已有活性炭吸附、热破坏、冷凝、液体吸收等方法，另外，还开发了生物膜法、电晕法、臭氧分解法、催化燃烧法、等离子体分解法等新型处理技术^【²^】。文献表明液体吸收法具有成本低、操作简单等优势，可通过废气与吸收剂的接触，使其中的有毒有害成分被吸收剂吸收，然后经解析，将甲苯除去或回收，同时实现吸收剂再生和重复使用^【^3-6^】。国内外学者从各种途径寻找处理甲苯的吸收剂，如汽油、洗油、活性机油、柴油等^【^7-12^】，但这些具表面活性剂成分的吸收剂在一定程度会引起二次污染，且气味不佳。国内外许多专家从天然植物提取液入手，寻找出一种能高效处理甲苯的提取液。本文对甲苯气体进行不同吸收液的吸收研究，以此期望能找到一种高效的处理技术和方法处理有毒的甲苯。

1 实验部分

1.1 实验设备与试剂

甲苯气体发生和吸收装置、pHS-3D酸度计、岛津气相色谱仪等。

甲苯、薄荷叶、鲜薄荷叶、二乙基羟胺（DEHA）、、乙醇、1,4-丁二醇（BDO、硅胶、柠檬酸钠、蒸馏水等。

1.2 实验方法

1.2.1甲苯气体制备及吸收

将甲苯溶液置于沙浴锅中加热，至形成稳定甲苯-空气混合气流，利用气体采样器将气体计量后输送至U形管， U形管中盛有4% BDO溶液作为吸收液，装置见图1。

图1 甲苯气体发生和吸收装置

1. 沙浴锅 2. 甲苯 3. 硅胶干燥管 4. 气体流量计 5. 采样器气泵 6. 吸收液管 7. 气体采样器

1.2.2吸收液中甲苯含量测定

制备甲苯浓度分别为0，100，200，300，400，500mg/L的甲苯-BDO标准溶液，利用气相色谱仪测吸收液甲苯浓度，制作标准曲线。所用注样体积1μl；柱箱温度80℃；平衡时间3min；检测器温度200℃，尾吹气N₂/空气；燃气采用H₂，流量为40ml/min，空气流量为400l/min，采用外标法定量。

1.2.3薄荷精油及提取液制作

（1）薄荷精油制备

将粉碎好的薄荷粉沫与水按照1:40的比例加入1000ml蒸馏瓶中，用电炉进行加热，加热至沸腾，注意待蒸馏瓶内沸腾时应调小温度，以免沸腾污染薄荷精油，冷凝管水流方向应为下进上出，防止沸腾水充满冷凝管而炸裂，制得约10ml薄荷精油，贮存在冰箱内备用。

（2）薄荷提取液制备

利用水提取法提取薄荷叶中的有效成分，即将采集的薄荷叶用高速万能粉碎机粉碎，并按一定比例溶于煮沸的30%乙醇溶液中，匀速搅拌15min左右，搅拌的过程中应调小电路温度，防止温度过高而将液体溢出，然后经过滤得到约500ml干薄荷提取液,放入冰箱内以备用。

2 实验条件优化

2.1 最佳甲苯进气流量的确定

通过控制单一因素法，由于甲苯沸点为110.6℃，故使用沙浴锅对甲苯进行加热以将甲苯液体转化成气体，沙浴锅温度控制在120℃左右，经软导管进入大气采样器中，以4% BDO为吸收剂，进行甲苯气体的吸收。以大气采样器进行甲苯吸收实验，勿需搅拌装置促进甲苯的吸收，通过控制流速就能控制，本实验控制进气量为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5L/min，然后由液相色谱仪测定出不同进气量的甲苯峰面积，在标准曲线上查得甲苯浓度，绘制甲苯进气流量-30min吸收量曲线，由曲线选择出BDO吸收液最佳的甲苯进气流量。

2.2 最佳吸收时间的确定

同样，通过控制单一因素法，在最佳的甲苯进气流量的条件下，以吸收时间作为变量选择出最佳的吸收时间,控制吸收时间为10、20、30、40、50、80min，根据液相色谱图，在甲苯的保留时间内得出甲苯的峰面积，根据标准曲线方程计算得出甲苯含量，由此绘制吸收时间-吸收量曲线，选择出最佳的吸收时间。

2.3吸收剂的筛选

根据以上实验确定出最佳的甲苯进气流量、吸收时间。选择BDO、DEHA、柠檬酸钠、干薄荷提取液、鲜薄荷提取液五种吸收剂，以及五种吸收剂分别与薄荷精油按照95:5的比例进行配制，另加薄荷精油和美国产品，共12种吸收液。由于BDO、DEHA、柠檬酸钠都溶于水，所以，可以配置不同浓度的三种吸收剂。

利用文献提供的最佳吸收液配方，即使用4%的BDO、5%的DEHA、10%的柠檬酸钠，在带有打孔橡胶塞的锥形瓶内加入100ml甲苯溶液放入沙浴槽内，橡胶塞上有两路玻璃导管，一路用于甲苯气体经软皮导管进入大气采样器；一路用于缓解锥形瓶内压力变化，以防由于气压变化问题而引起吸收液倒吸。由于甲苯的沸点为110.6℃，故沙浴槽内温度控制在120℃左右，经软皮导管进入大气采样器里，进行吸收液的甲苯吸收实验。

以上12种吸收液在最佳的吸收条件下同上实验步骤进行甲苯的吸收，然后，经液相色谱仪测定各吸收液的色谱图，根据甲苯的峰面积以及标准曲线方程计算得出甲苯含量并记录数据。

2.4 最佳吸收液浓度优化

选择DEHA溶剂作为配比优化实验，其浓度为2%、5%、10%、20%、30%、40%、50%，同样，在最佳的吸收条件下同上实验步骤进行甲苯的吸收实验，而后经液相色谱仪测定各浓度下的色谱图，根据甲苯的峰面积和标准曲线方程计算出各浓度下的DEHA对甲苯的吸收量，记录数据。绘制浓度-吸收量曲线，经比较选择出最佳处理甲苯气体的DEHA吸收液质量分数。

2.5 吸收剂与薄荷精油配比筛选

根据上述实验步骤选择出吸收甲苯效率较好的吸收剂，吸收剂与薄荷精油按照99:1、98:2、97:3、96:4、95:5、94:6、93:7的比例配制混合液，然后依次经液相色谱仪测定在甲苯的保留时间处出峰的峰面积，记录数据，最后根据峰面积和标准曲线方程计算得出混合吸收液中甲苯的含量，绘制百分比-吸收量曲线，确定最佳的吸收剂与薄荷精油的混合配比。通过峰面积以及标准曲线方程计算出各吸收剂和植物提取液中甲苯的含量，绘制曲线和表格选择出最优的吸收剂和吸收液配比。

4 结果与分析

4.1 标准曲线的绘制

（1）甲苯保留时间的确定

按照上述实验方法确定甲苯的保留时间，0mg/L、10mg/L浓度的标准溶液经液相色谱仪测定的色谱图如图3-4、3-5所示，故由此确定甲苯的保留时间为6.682min。

图2 0mg/L浓度标准溶液色谱图图3 10 mg/L浓度标准溶液色谱图

（2）标准曲线绘制

根据上述实验方法，经液相色谱仪测出甲苯的保留时间为6.682min,然后，按照实验步骤配制标准溶液，经液相色谱仪测定标准溶液中甲苯的峰面积，记录数据如表1，绘制浓度-峰面积的标准曲线，得出标准曲线方程，y=1240.2x 。

表1 标准溶液中甲苯浓度

浓度（mg/L）	0	10	20	30	40	50
峰面积（微伏秒）	0	14771	27694	38836	49827	57989

图4 标准曲线

4.2 最佳条件的选择

（1）最佳甲苯进气流量的选择

按照上述实验步骤利用液相色谱仪测定甲苯在6.682min左右出峰的物质即为甲苯，选择4%BDO吸收剂，经液相色谱仪测定，在254nm波长下微积分得出甲苯出峰的峰面积，以甲苯进气流量为0.3L/min为例，其色谱图如图5、6，根据甲苯峰面积以及标准曲线方程，计算得出BDO中甲苯含量，其数据记录如表2。

表2 不同甲苯进气流的吸收情况

序号	进气流量(L/min)	吸收温度℃）	峰面积（微伏秒）	浓度（mg/L）
1	0.1	10	1409	1.1361
2	0.2	10	54045	44.5776
3	0.3	10	44706	36.0474
4	0.4	10	11267	9.0848
5	0.5	10	4406	3.5527

图5甲苯进气流量为0.3L/min的色谱图图6 甲苯进气流量-30mim吸收量曲线

根据甲苯进气流量-30mim吸收量曲线得出最佳的甲苯进气流量为0.2L/min。

（2）最佳吸收时间的选择

控制甲苯进气流量为0.2L/min，设计不同的吸收时间，其数据记录如下表3。

表3 吸收剂吸收时间表

序号	吸收时间（min）	进气流量（L/min）	吸收温度（℃）	峰面积（微伏秒）	吸收量（mg/L）
1	10	0.2	10	1385	1.1168
2	20	0.2	10	14269	11.5054
3	30	0.2	10	55595	44.8274
4	40	0.2	10	54523	43.9631
5	50	0.2	10	55324	44.6089
6	80	0.2	10	55920	45.0895

由表3可知，当吸收时间为30min时，吸收量最好。根据液相色谱仪测出的甲苯含量，绘制吸收时间-吸收量的曲线如图7和8所示。

图7 吸收时间为30min的色谱图图8 吸收时间-吸收量曲线

由吸收时间-吸收量曲线得出最佳的吸收剂吸收时间为30min，由以上两实验结果得出最佳的甲苯吸收条件为:甲苯进气流量为0.2mL/min ,吸收剂吸收时间为30min。

4.3 吸收剂的筛选

（1）实验数据

在最佳吸收条件下按上述实验步骤进行下列吸收液吸收甲苯实验，然后，经液相色谱仪测定甲苯的峰面积并由标准曲线方程计算得出甲苯浓度，记录数据如表4。

表4 吸收剂筛选表

序号	吸收剂用量（按查阅最佳浓度）	进气流量（L/min）	吸收温度 (℃)	峰面积（微伏秒）	30min吸收量（mg/L）
1	4%BDO(1,4-丁二醇)	0.2	10	54411	43.8728
2	10%柠檬酸钠	0.2	10	17881	14.4179
3	干薄荷提取液	0.2	10	13044	2.4544
4	鲜薄荷提取液	0.2	10	17781	6.2740
5	5%二乙基羟胺（DEHA）	0.2	10	41237	33.2503
6	薄荷精油（80%）	0.2	10	12525	10.0992
7	BDO+薄荷精油（95:5）	0.2	10	42618	33.3742
8	柠檬酸钠+薄荷精油（95:5）	0.2	10	14026	11.3095
9	DEHA+薄荷精油（95:5）	0.2	10	13881	11.1925
10	干薄荷提取液+薄荷精油（95:5）	0.2	10	16147	13.0197
11	鲜薄荷提取液+薄荷精油（95:5）	0.2	10	14776	12.0376
12	市售吸收剂（美国）	0.2	10	48055	38.7478

由表4得出4%浓度的BDO对甲苯具有较好的吸收效果，同样，BDO与薄荷精油的混合溶液对甲苯具有较好的吸收效果。而且BDO的吸收效果要优于美国市售产品，美国市场商品的色谱图如图9。

图9 美国市场商品的色谱图

（2）吸收液参数优化

由于现有文献已有采用4% BDO作为吸收液的研究，故在此不再进行吸收液浓度优化，为此选择吸收效果次之的DEHA进行浓度优化。

选择DEHA溶剂作为配比优化实验，实验步骤同上，数据如表5，其色谱图如图10，浓度-吸收量曲线如图11。

表5 DEHA吸收液参数优化表

序号	DEHA吸收液配比	进气流量 (L/min)	吸收温度 (℃)	峰面积（微伏秒）	30min吸收量（mg/L）
1	2%	0.2	10	24299	19.5928
2	5%	0.2	10	41237	33.2503
3	10%	0.2	10	27119	21.8666
4	20%	0.2	10	20727	16.7126
5	30%	0.2	10	14931	12.0246
6	40%	0.2	10	11093	8.9445
7	50%	0.2	10	10042	8.0971

图10 5%DEHA吸收剂的色谱图图 11 DEHA吸收液浓度-吸收量曲线

经比较得出DEHA最佳处理甲苯气体的质量分数为5%。

（3）吸收剂与薄荷精油配比的筛选

同以上实验步骤进行实验，选择最佳的BDO与薄荷精油的配比，记录实验数据如表6，根据表格数据绘制BDO与薄荷精油的百分比-吸收量曲线如图12。

表6吸收剂与薄荷精油配比筛选表

序号	BDO:薄荷精油	进气流量 (L/min)	吸收温度 (℃)	峰面积（微伏秒）	30min吸收量（mg/L）
1	99:1	0.2	10	55401	44.671
2	98:2	0.2	10	51023	41.1409
3	97:3	0.2	10	49367	39.8057
4	96:4	0.2	10	44765	36.095
5	95:5	0.2	10	42618	34.3638
6	94:6	0.2	10	38742	31.2385
7	93:7	0.2	10	30412	24.5219

图12 BDO与薄荷精油的百分比-吸收量曲线

由BDO与薄荷精油的百分比-吸收量曲线知，薄荷精油是起到调节吸收剂气味的作用，起不到促进吸收剂吸收甲苯的作用。

4.4 吸收废液的处置

如前所述，4%的BDO对甲苯具有最大的吸收效果，其次为市售国外进口吸收剂。BDO是一种重要的有机化工产品，可看作生物柴油的一种，也可由生物基物质发酵制得，被广泛的用于医药、化工、纺织、造纸、汽车和日用化工等领域。其物理特性为：无色油状液体，可燃，能溶于水、甲醇、乙醇、丙酮，微溶于乙醚，沸点228℃，熔点20.2℃，相对密度1.0171，折射率1.446，闪点（开杯）121℃，使用安全。选用BDO作为吸收剂还有另一个优点，那就是与甲苯易于分离。饱和后的吸收液主要含有BDO、甲苯和水，甲苯的沸点为110.6℃，其与水的共沸点是84. 1℃，而BDO的沸点为228℃，因此，通过共沸蒸馏操作可使甲苯与吸收液进行解吸分离并回收甲苯，同时，吸收液经冷却、补充水后可实现再生。

但蒸馏回收的经济性决定于吸收液甲苯浓度，若浓度较低，则甲苯回收的可行性较低，为此，也可采用将吸收废液排放到厂区废水处理设施，或采用其他高级氧化方法处理。

5 小结论

通过以上的控制单一因素实验分析和比较，可以确定五种吸收剂最佳的甲苯吸收时间、甲苯进气流量等最佳吸收条件，得到以下结论：

（1）对于BDO模拟吸收甲苯实验：以吸收量为指标，最佳吸收条件为：甲苯进气流量为0.2mg/l,甲苯吸收时间为30min,吸收温度为10℃，由于使有使用大气采样器，故勿需使用搅拌装置。

（2）对于五种吸收剂的吸收实验：在BDO模拟吸收甲苯实验中确定的最佳吸收条件下，五种吸收剂进行甲苯吸收实验，经数据显示，吸收甲苯效率较高的是BDO,能吸收约44mg/l。

（3）对于五种吸收剂与薄荷精油的混合溶液:在BDO模拟吸收甲苯实验中确定的最佳吸收条件下,吸收剂与薄荷精油按95:5的比例进行吸收实验，经数据显示，BDO与薄荷精油的混合液对甲苯具有较高的吸收效率，约33.4mg/l。

（4）对于BDO与薄荷精油的混合液：在BDO模拟吸收甲苯实验中确定的最佳吸收条件下，BDO与薄荷精油按照不同的配比进行混合吸收，结果表明，薄荷精油起到调节吸收剂气味的作用，并没有起到促进BDO吸收甲苯。

由以上数据显示，1,4-丁二醇(BDO)对甲苯具有较高的吸收效果，薄荷精油仅起到调节吸收剂气味的作用，与美国产品相比较，BDO的吸收效率略高，在吸收甲苯的工程应用上，BDO具有处理成本低、效率高、操作简单等特点。

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