干粉吸附剂洗消苯乙烯蒸气试验研究

张　统，王守中，邵高耸，张博宇，冯海生，董春宏，李　玉

(1.总装备部工程设计研究总院，北京　100028； 2.武警学院，河北 廊坊　065000)



干粉吸附剂洗消苯乙烯蒸气试验研究

张统1，王守中1，邵高耸2，张博宇2，冯海生2，董春宏1，李玉2

(1.总装备部工程设计研究总院，北京100028； 2.武警学院，河北 廊坊065000)

试验探索了活性炭、海泡石、硅藻土、膨润土、活性氧化铝和高疏水性树脂等6种常见干粉吸附剂对苯乙烯蒸气的洗消性能。其中活性炭可以在6 min内将苯乙烯蒸气浓度降至448.1 ppm，洗消率达到89.0%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1；活性炭和活性氧化铝以4︰1复配后能在7 min内将苯乙烯蒸气浓度降至433.1 ppm，洗消率达到90.4%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1。活性炭及活性炭复配活性氧化铝对苯乙烯蒸气有明显的洗消效果，可以在苯乙烯泄漏事故现场处置中发挥巨大作用。

活性炭；活性氧化铝；洗消；苯乙烯

0　引言

苯乙烯属于苯类化合物，作为一种重要的化工原料，其广泛应用于合成塑料、树脂、橡胶及复合材料等化学工业，且苯乙烯易燃、有毒，是典型挥发性有机物(VOCs)气体之一，其蒸气可被呼吸道、皮肤及消化道吸收，对人体心脏、肝脏、神经系统和生殖系统有慢性毒害作用[1]。我国《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)规定苯乙烯排放的一级标准浓度为3.0 mg·m-3，即714.29 ppm；《工业企业设计卫生标准》(TJ 36—79)规定生产车间苯乙烯最高容许浓度为40 mg·m-3。2001年4月17日，韩国“大勇”号船在长江口水域与一货船碰撞，造成所载638 t苯乙烯泄漏入海，造成海域严重污染。2010年10月28日，陕西略阳发生苯乙烯槽罐车侧翻，造成大量苯乙烯泄漏，污染了附近的乐素河。目前，苯乙烯蒸气有毒、挥发、易燃、易爆的性质对苯乙烯泄漏事故的处置造成很大困扰，尤其是封闭或半封闭空间的苯乙烯泄漏事故，存在空气不流通、苯乙烯气体浓度积累、易形成易燃易爆场所等缺陷，限制了苯乙烯蒸气的现场洗消，而探索高效的苯乙烯蒸气洗消剂显得尤为重要。

目前，活性炭、硅藻土广泛用于室内装修时吸附甲醛、净化空气。杨斌彬[2]使用海泡石在12%浓度的盐酸溶液处理10.5 h，对苯乙烯静态吸附达到111 mg·g-1，在180 ℃环境处理3 h后对苯乙烯静态吸附达到132 mg·g-1。任爱玲等[3]在0.15 mol·L-1浓度的硫酸铜溶液浸渍处理污泥活性炭后，苯乙烯的静态吸附量达到211.4 mg·g-1，在0.20 mol·L-1浓度的硫酸铝溶液中浸渍后，苯乙烯的静态吸附量达到178.8 mg·g-1。但目前未见文献有对苯乙烯蒸气吸附研究的报道，本试验根据活性炭等内部结构和表面功能团的吸附能力，研究了活性炭、硅藻土等对苯乙烯蒸气的洗消性能。

1　试验

1.1试验材料

苯乙烯：分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；海泡石：河北省石家庄石粉厂；硅藻土：河南郑州金丰净水滤材厂；膨润土：天津市大茂化学试剂厂；活性氧化铝：河南郑州龙鑫净水滤材厂；活性炭：浙江省江山市江山绿意竹炭有限公司；高疏水性树脂：河北省灵寿县润灵矿产品贸易有限公司。

1.2试验装置

本文自制了试验装置如图1，装置主要由三部分组成：试验箱体、苯乙烯气体检测仪、干粉罐。其中试验箱体体积70 cm×70 cm×80 cm，一侧可开启，关闭时密封良好；苯乙烯气体检测仪为CEM200型多气体应急检测仪，由北京泰华恒越科技发展有限责任公司生产，量程0～13 000 ppm；干粉罐标准压力8 bar，体积6 L。

图1　试验装置

图2为试验装置示意图，其中苯乙烯气体检测仪通过进气管和出气管与试验箱体形成回路，使苯乙烯蒸气在气体检测仪和试验箱体之间循环。干粉罐通过进粉管与箱体上方连接，试验时从箱体上方喷出进行洗消。

1.苯乙烯气体检测仪；2.进气管；3.出气管；4.试验

1.3试验步骤

试验步骤为：(1)干粉罐加粉后充压至8 bar，载液盘内盛装一定量沸水，并在沸水表面滴加20 mL苯乙烯，使苯乙烯加速蒸发。(2)用气体检测仪实时监测苯乙烯蒸气浓度，待苯乙烯基本蒸发完毕，浓度稳定时打开干粉罐阀门开始喷洒干粉。(3)干粉采用点式喷洒在3 min内喷洒完毕(即3 min内共喷洒10次，每次持续约2 s)，持续监测苯乙烯蒸气浓度变化，待浓度下降到稳定不变时，试验结束，采集整个试验过程中苯乙烯蒸气浓度变化的连续数据。

2　结果和讨论

2.1单一干粉洗消苯乙烯蒸气

海泡石是一种层链结构纤维状的硅酸盐黏土矿物，表面多孔、多杂质、有与纤维方向一致的管状贯穿通道，具有较大的比表面积，其内部有含氧酸碱性官能团，对挥发性有机物有良好的吸附性能[4]；硅藻土由硅藻壁壳组成，壁壳上有多级、大量、有序排列的微孔，化学稳定性高，通常颗粒表面带有电荷，这种结构为硅藻土的物理吸附和化学吸附提供了更多的吸附空间[5-6]；膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土岩，而蒙脱石则是由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2︰1型黏土矿物，具有矿物的表面吸附作用、层间阳离子的交换作用、孔道的过滤作用及特殊的二维纳米结构效应[7]；高疏水性树脂属于有机塑料，与挥发性有机物有相似的极性，该类树脂的吸附性能类似于活性炭[8-9]，但比活性炭孔分布窄、机械强度好、容易脱附再生，在部分含酚废水处理中已得到了应用；活性氧化铝为多孔球粒，表面光滑，粒度均匀，对有机蒸气主要是物理吸附；活性炭是一种价格低廉、来源广泛、用途极广的多孔碳，堆积密度低，比表面积大，吸附性强。因此试验选取活性炭等6种典型干粉吸附剂进行洗消苯乙烯蒸气研究。用活性炭、硅藻土等6种干粉对苯乙烯蒸气进行洗消，苯乙烯蒸气浓度变化如图3所示。

试验过程中喷洒的干粉都是相对过量的，因此在3 min喷洒后苯乙烯蒸气最终稳定的浓度可以用来表征干粉的洗消性能。而洗消率为苯乙烯降低的浓度与原始浓度之比，最大洗消速率为苯乙烯蒸气浓度变化曲线上斜率最大的点。由图3可知活性炭洗消苯乙烯蒸气有最大的切线斜率和浓度下降幅度；硅藻土曲线平缓，洗消速率小，效率最低。为更好地表征不同干粉吸附苯乙烯的性能，将试验数据中干粉对苯乙烯的最终洗消浓度、洗消率和最大洗消速率整理并加以对比。如表1所示，活性炭洗消苯乙烯蒸气可以将浓度降低至448.1 ppm，洗消率达到89.0%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1，洗消性能最佳。而仅次于活性炭的活性氧化铝，最终洗消浓度595.6 ppm，洗消率82.9%，最大洗消速率69.4 ppm·s-1。可见，活性炭和活性氧化铝最终能将苯乙烯蒸气浓度降低至《恶臭污染物排放标准》规定苯乙烯排放的一级标准浓度714.29 ppm以下。

图3　不同干粉吸附剂洗消苯乙烯蒸气浓度变化曲线

表1　不同干粉吸附苯乙烯性能

由表1可知，活性炭具有最好的吸附洗消效果。可能是因为活性炭在几种无机干粉中密度最低，滞空性最好，表面功能团对苯乙烯有更好的亲和性[3]，能更好地吸附挥发的苯乙烯蒸气；而高疏水性树脂利用极性相似吸附苯乙烯蒸气的能力可能比活性炭、活性氧化铝和海泡石的物理吸附能力弱。

2.2复配干粉洗消苯乙烯蒸气

对比6种干粉的洗消性能，选洗消性能最优的活性炭和活性氧化铝按4︰1进行复配，洗消苯乙烯蒸气，浓度变化曲线如图4所示。

活性炭复配活性氧化铝的洗消苯乙烯的最终浓度为433.1 ppm，洗消率达到90.4%，最大洗消速率80.5 ppm·s-1。复配后干粉的洗消性能相比纯活性炭而言有一定改善，洗消苯乙烯蒸气最终浓度下降15.0 ppm，洗消率提高1.4%。可能是因为两种干粉同时喷洒比单一干粉的空间密度有所提高，对苯乙烯的洗消效率更高。

图4　活性炭-活性氧化铝复配洗消苯乙烯蒸气浓度变化曲线

3　结论

试验测试了活性炭等6种干粉吸附洗消苯乙烯蒸气的性能，结果发现活性炭和活性氧化铝洗消苯乙烯蒸气都有显著效果，活性炭洗消苯乙烯可以将苯乙烯蒸气浓度降低至448.1 ppm，活性氧化铝最终洗消浓度595.6 ppm，两者以4︰1复配洗消苯乙烯蒸气最终浓度433.1 ppm，都能将苯乙烯蒸气浓度降低至国标规定排放值714.29 ppm以下，远小于苯乙烯爆炸下限11 000 ppm。其中，活性炭和两种干粉复配洗消苯乙烯蒸气的效率都比较高。在苯乙烯泄漏事故现场处置中使用活性炭或活性氧化铝都能将苯乙烯蒸气浓度降低国标安全排放值以下，对消防部队洗消和救援有一定的应用价值。

[1] 潘红艳，李忠，夏启斌，等.氨水改性活性炭纤维吸附苯乙烯的性能[J].功能材料,2008,39(2):324-327.

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[3] 任爱玲，符凤英，曲一凡．改性污泥活性炭对苯乙烯的吸附[J]．环境化学，2013，32(5)：833-838.

[4] 梁凯，唐丽永，王大伟.海泡石活化改性的研究现状及应用前景[J].化工矿物与加工,2006,5(4):5-10.

[5] 矫娜，王东升，段晋明，等.改性硅藻土对三种有机染料的吸附作用研究[J].环境科学学报,2012,32(6):1364-1369.

[6] 陈方明，陆琦．非金属矿物材料在废水处理中的应用[J]．矿产保护与利用，2004，5(1)：18-21．

[7] 朱利中，陈宝梁.膨润土吸附材料在有机污染控制中的应用[J].化学进展,2009,21(3):420-431.

[8] 李鸿江，温致平，赵由才.大孔吸附树脂处理工业废水研究进展[J].安全与环境工程,2010,17(3):21-25.

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(责任编辑、校对马龙)

Experimental Study on Decontamination of Styrene Vapor with Adsorbent Powder

ZHANG Tong1, WANG Shouzhong1, SHAO Gaosong2, ZHANG Boyu2,FENG Haisheng2, DONG Chunhong1, LI Yu2

(1.CenterforEngineeringDesignandResearchundertheHeadquartersofGeneralEquipment,Beijing100028,China; 2.TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The decontamination effect of styrene vapor with 6 kinds of adsorbent powders, such as activated carbon, sepiolite, diatomite, bentonite, activated aluminium and hydrophobicity resin, was experimentally studied. The concentration of styrene vapor can be reduced to 448.1 ppm with activated carbon in 6 minutes, when the rate of decontamination was 89.0% and the maximum speed of decontamination was 80.5 ppm·s-1; The concentration of styrene vapor can be reduced to 433.1 ppm with activated carbon and activated aluminium oxide complex by mixing ratio 4︰1 in 7 minutes, when the rate of decontamination was 90.4% and the maximum speed of decontamination was 80.5 ppm·s-1. Activated carbon or activated carbon and activated aluminium oxide complex was effective to decontaminate styrene vapor and can make a big difference in handling the accident of styrene spill.

activated carbon; activated aluminium oxide; decontamination; styrene

2016-01-22

北京市科技计划(Z141100000714005)；国家科技支撑计划(2015BAK37B01)

张统(1963—)，男，河南方城人，研究员，主要研究危险化学品事故应急防控与军事特种废水污染治理； 王守中(1972—)，男，河南商丘人，高级工程师； 邵高耸(1980—)，女，山东济宁人，讲师； 张博宇(1993—)，男，陕西眉县人，在读硕士研究生； 冯海生(1981—)，男，河北玉田人，讲师； 董春宏(1970—)，男，四川南充人，工程师； 李玉(1981—)，男，山东聊城人，讲师。

TQ424; D631.6

A

1008-2077(2016)04-0010-04