微泡吸收技术处理丙酮废气

张小波，李琰君，沈绍传，贠军贤，姚克俭

（浙江工业大学化学工程学院，绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310032）

工业有机废气是造成大气污染的重要原因之一，其处理不易。传统化学处理方法如燃烧、化学催化等易产生二次污染；物理方法如吸附、冷凝、液体吸收等由于可回用，在工业上应用较为广泛。

微泡吸收废气是将有机废气通入微泡发生装置，在吸收液中形成废气微气泡，由于微气泡具有气液接触面积大、气体传质速率快、液体中停留时间较长等优点，微气泡中的可溶组分迅速向吸收剂传递并被吸收，在有机废气处理中有一定的应用价值。Muroyama 等[1-2]以水吸收直径50mm 低气速氧气微气泡，结果表明低速微氧气泡在吸收过程中传质阻力小，吸收率高；而直径较大的普通气泡吸收过程中存在气液相平衡关系，液膜阻力大，吸收率受到一定限制，吸收效率偏低。范轶等[3]以微孔板分布器产生微气泡，处理含有苯酚、丙酮、氢过氧化物的废水，实验测得气含率是一般传统工艺的2倍，能够在更短时间内处理废水中80%降解的物质。Liu 等[4]对比传统气泡与微气泡处理染料废水的效果发现，几十微米的微气泡在溶液中具有很长的停留时间，数密度大，传质系数是传统气泡的1.5 倍，对废水中颜料和油污的处理效果分别是传统气泡的2.1 倍和1.4 倍。徐振华等[5]利用金属微孔管制造微气泡，在压力为0.1MPa 就能生成20～70µm 的微气泡，而传统气泡法需要0.3MPa的压力，悬浮物的去除率可达到87.75%。Chu 等[6]利用臭氧微气泡处理印染废水，产生的微气泡直径低于58μm，在气流量在低于0.5L/min 时，传质效率是传统气泡工艺的1.8 倍，有机物去除率为1.3 倍。

1 实 验

1.1 实验设备

实验装置如图1 所示。Ultrospec 3300 pro 紫外/可见光分光光度，GE Healthcare；TS1000ME 高速动态记录仪，Fastec Imaging；LZB-15 转子流量计，常州热工仪表厂；DF-101S 恒温加热磁力搅拌器，巩义市英峪予华仪器厂；SHB-ⅢA 循环水式多用真空泵，河南省太康科教器材厂；自制微气泡吸收装置，内径50 mm、高580 mm 的圆柱，圆柱底端内置多孔微孔板，孔径大小3～4µm。

图1 实验装置图

1.2 实验方法

将水浴温度维持在60℃，打开真空泵抽气，维持压力不变，整个系统处于负压下，将空气倒吸进装有300g 水的吸收装置中，气体通过多孔微孔板后在水中产生大量的气泡。在系统处于稳定状态之后，微量注射器将丙酮缓慢注射出针尖，由于丙酮易挥发，在60℃下瞬间挥发成气态，与空气组成混合气体，经过多孔微孔板在水中形成空气-丙酮的混合气体微气泡，微气泡在上升过程中丙酮被水吸收。调节转子流量计，使气流量为 0.6～1.4L/min，控制注射器推动的速度，使混合气体中丙酮质量浓度ra 在(7.80～1.56)×10-3kg/m3。实验过程中，由于改变空气的气流量会造成真空表压力的变化，但变化并不大，故本实验中的真空度是平均值。水温为25℃，真空度为0.01MPa。

水中产生的微气泡通过高速动态记录仪拍摄，微气泡的直径分布是在同一个液面高度下随机统计100 个微气泡得到；水中丙酮的浓度Ca采用紫外/可见光分光光度计测量丙酮在水中的吸光度得到；表观气速Ug是通过计算气流量与吸收装置内径截面积的比值得到。

2 结果与讨论

2.1 丙酮浓度对于微气泡的影响

测量了纯水及丙酮水溶液中微气泡直径大小及分布。图2(a)是纯水中表观气速为10.2m/s 时微气泡的图像，其平均直径在1000mm 以上，直径较大。图2(b)～(d)分别为水中丙酮质量分数（下文简称浓度）为 1%、2%、3%时，相同表观气速（10.2m/s）下微气泡群的图像。可见，表观气速一定时，气泡直径随着水中丙酮浓度的增大而明显降低，且数量急剧增多，形成大量微气泡。这是由于丙酮的稀溶液的性质（表面张力、黏度等）与水相比有差异明显，随着丙酮浓度增大，微气泡更易从微孔板孔隙中脱离形成更小的微气泡，直径逐渐降低，数量增多。Kazakis 等[7]测量了不同低浓度有机溶液中微气泡的直径，发现其随着溶液浓度的增大而降低，与本实验相符。同时，对比图2(a)与2(b)～(d)可见，溶液性质对微气泡直径大小的影响很明显。

图2 表观气速为10.2m/s 时纯水、1%、2%及3%丙酮浓度条件下的微气泡图

图3(a)～(c)分别为图2(b)～(d)对应的微气泡直分布，可以看出，随着丙酮浓度的增大，微气泡直径趋于更小，1%时集中在400～700μm 范围，2%时集中在300～600mm 范围，3%时集中在300～500μm范围，根据Sauter 平均直径计算公式[式（1）][8]对微气泡的平均直径进行计算，当丙酮浓度分别为1%、2%和 3%时，微气泡的平均直径分别为647µm、525µm 和509µm。可见，随丙酮浓度的增高，微气泡的平均直径逐渐降低。

图3 表观气速为10.2 m/s 时丙酮浓度分别为1%和2%及3%条件下的微气泡直径分布

2.2 表观气速对微气泡的影响

实验过程中发现，表观气速对微气泡具有一定的影响。图4 为水中丙酮浓度为0.27%、表观流速为10.2m/s 和5.1m/s 时的微气泡群图片，图5 为微气泡的直径分布图。

经计算，两个表观气速下Sauter 平均直径分别为642.8µm 和663.5µm。可以看出，微气泡平均直径随表观流速的增大而降低，但数量增加很多，这是因为表观流速的增大使得微气泡能更快从微孔板中脱离，微气泡之间的聚并减少；同时，微孔板孔口气液扰动更加剧烈，容易生成更小的微气泡，故增大表观气速会使得微气泡平均直径减小。

2.3 表观气速对吸收率的影响

图4 0.27%丙酮溶液中不同表观气速时的微气泡图

图5 0.27%丙酮溶液中不同表观气速时的微气泡直径分布

实验测量了丙酮质量浓度为1.30×10-3kg/m3和1.56×10-3kg/m3、吸收剂为300g 水时，表观气速Ug对丙酮吸收率的影响。如图6 可以看出，随着表观气速的增大，吸收率先增大后减小，在表观气速为 10.2m/s 时吸收率达到最大。这是因为随着表观气速的增大，微气泡的直径会降低，数量增多，传质效率会增大，吸收率会增大；但表观气速的增大也会使得微气泡在水中的上升速率增大，停留时间降低，故气速增大到一定程度吸收率反而降低。

2.4 混合气体中丙酮质量浓度对吸收率的影响

实验测量了表观气速为10.2m/s、吸收剂为300g 水时，空气-丙酮混合气体中丙酮质量浓度ra对吸收率的影响，如图7。可见，丙酮吸收率随ra的增高而增高，但可能由于微气泡的直径不够小，传质过程中仍有阻力和受到气液相平衡的影响，吸收率未能达到理想期望。

图6 表观气速对丙酮吸收率的影响

图7 丙酮质量浓度对丙酮吸收率的影响

3 结 论

用微气泡技术，以水为吸收溶剂，吸收处理空气–丙酮混合气体中的丙酮，探索了丙酮浓度、表观气速对微气泡直径的影响，同时考察了表观气速及废气中丙酮质量浓度对吸收率的影响，得到以下 结论。

（1）用微气泡技术吸收处理空气-丙酮混合气体中的丙酮具有可行性，且具有操作简单、能耗低、无二次污染等优点，也能为处理其他有机废气提供一种新途径。但由于微气泡直径没有足够小，传质过程中仍存在阻力且受气液相平衡的影响，吸收率未能达到理想期望，还有待提高。

（2）随着丙酮水溶液浓度提高，微气泡的平均直径逐渐降低，数量增多；水中丙酮浓度相同的情况下，微气泡平均直径随表观气速的增大而降低，数量增多。当丙酮浓度在1%～3%范围，表观气速为10.2m/s 时，用多孔微孔板能产生直径为300～700µm 的微气泡。

（3）丙酮吸收率随表观气速增大而先增后减，最优表观气速下，吸收率随废气中丙酮质量浓度的 增大而增大，空气-丙酮混合气体中丙酮质量浓度为1.56×10-3kg/m3和表观气速为10.2m/s 时，吸收率最高达77.16%。

符 号 说 明

Ca——水中丙酮质量分数，%

d32——Sauter 平均直径，m

di——微气泡直径，m

E——丙酮吸收率，%

N——微气泡直径分布，%

Ug——表观气速，m/s

Pa——空气-丙酮混合气体中丙酮质量浓度，kg/m3

[1] Muroyama K，Oka Y，Fujiki R，et al. Transport properties of micro-bubbles in a bubble column[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan，2012，45（9）：666-671.

[2] Muroyama K，Oka Y，Fujiki R，et al. Degradation characteristics of phenolic compounds using micro-bubbles of ozonated oxygen[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan，2012，45（9）：678-684.

[3] 范轶，王麒，陈军. 微孔塔式曝气用于石化废水处理的研究[J]. 环境工程，2000，18（6）：9-12.

[4] Liu S，Wang Q H，Ma H Z，et al. Effect of microbubbles on coagulation flotation process of dyeing wastewater[J]．Separation and Purification Technology，2010，71（3）：337-346.

[5] 徐振华，赵红卫，方为茂. 金属微孔管制造微气泡的研究及气浮效果测试[J]. 科研与开发，2006，9（3）：1-3.

[6] Chu L B，Xing X H，Yu A F，et al. Enhanced ozonation of simulated dyestuff wastewater by microbubbles[J]. Chemosphere，2007，68：1854-1860.

[7] Kazakis N A，Mouza A A，Paras S V. Experimental study of bubble formation at metal porous spargers. Effect of liquid properties and sparger characteristics on the initial bubble size distribution[J]. Chemical Engineering Journal，2008，137（2）：265-281.

[8] Takahiro A，Takahiro Y，Shuichi S. Microbubble formation with organic membrane in a multiphase microfluidic system[J]. Sensors and Actuators A：Physical，2008，1（143）：58-63.