一种新型甲苯吸收剂的复配及性能评价

于梦琦，朱仁成，李顺义，陈思佳

(郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001)

甲苯会引起人体疲劳、头疼、眩晕和代谢失调等症状[1-3]。常见的甲苯废气处理方式有吸收法、吸附法、冷凝法、催化燃烧法与生物法等[4-5]。经对比发现，吸收法是一种高效、简便的处理方式[6-10]。

吸收剂分为有机溶剂和表面活性剂两大类[11]。巫先坤等[12]采用新型矿物油对甲苯废气进行吸收，初始吸收率可达97%。伍志波等[13]以生物柴油、水、Tween-80、正丁醇制备微乳液，吸收率高达91.14%。刘英等[14]在油水比(质量比)为7∶3时，对甲苯废气的去除率可达到90.3%。陈定盛等[15]对废机油的吸收效果研究表明，废机油对甲苯的去除率达到 95%～98%。但以上研究均未对纯吸收剂复配后的吸收效果进行研究，本研究采用吸收法，以甲苯为目标污染物，分别测定了植物油、矿物油比例复配后的新型有机吸收剂对甲苯的吸收效率、饱和吸收量等指标，结果表明复配后的新型吸收剂对甲苯的饱和吸收时间及饱和吸收量均有明显提高。

1 实验部分

为了筛选低价易得的甲苯吸收剂，本研究在单种有机液体吸收甲苯的基础上又对吸收液进行了比例复配，研究了植物调和油、矿物油及按比例复配后的复合油分别吸收不同浓度甲苯的饱和吸收量及吸收效果随时间变化的关系。

1.1 材料与仪器

甲苯纯度≥99.5%，购自烟台市双双化工有限公司;矿物油、植物调和油均为市场化的成品油，在表 1 中列举了吸收液的部分物理化学性质。

表1 吸收剂理化性质Table 1 Physical and chemical properties of absorbent

HH-1恒温水浴锅；NDJ-5S粘度计。

1.2 实验装置

图1为本研究的实验装置示意图。整个反应装置由两路组成：空气支路、甲苯支路；空气支路通过转子流量计控制进口气量；甲苯支路由转子流量计控制空气流量对甲苯液体进行吹脱，HH-1恒温水浴锅对甲苯瓶进行恒温水浴，以稳定吹脱出的甲苯气体浓度。空气与吹脱出的甲苯气体在混合室中进行混合，混合后的甲苯废气进入吸收管被吸收剂吸收。吸收后的甲苯废气经MiniRAE 3000(PGM 7340，RAE Systems)进行浓度测定[16-18]。通过NDJ-5S粘度计对吸收剂的粘度进行测定。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device diagram

1.3 实验内容

本实验首先对纯矿物油及植物调和油对甲苯的吸收能力进行了测定。将50 mL 纯有机吸收剂加入吸收装置，向装置内通入0.8 L/min的不同浓度甲苯废气，每隔5 min测定一次吸收装置出口浓度，直至进出口甲苯浓度平衡。将矿物油与植物调和油分别按照1∶1,2∶1,4∶1,1∶2,1∶4进行复配，将50 mL 复配后的吸收剂加入吸收装置，向装置内通入0.8 L/min的不同浓度甲苯废气，测定其饱和吸收时间。

为确保mini3000测定的准确性，对mini3000与气相色谱的测定那个数据进行了对比，对比结果见表2。

表2 甲苯浓度数据对比Table 2 Comparison of toluene concentration data

由表2可知，便携式测定仪在低浓度时与气相色谱仪所测试出的结果相对偏差达到6.67%左右，但随着浓度逐渐增高，二者的相对偏差逐渐减小，但是当浓度增高至10 000 mg/m3以上时相对偏差又呈现增大趋势，这与便携测量仪的量程范围有关。结果说明在便携测定仪的量程范围(50～15 000 mg/m3)内测量结果具有较高的准确性。

2 结果与讨论

2.1 不同进气浓度对饱和吸收时间及吸收效率的影响

分别向纯矿物油吸收剂内通入1 000,2 000,4 000,8 000,10 000 mg/m3的甲苯废气，纯矿物油吸收剂对甲苯废气的吸收效果见图2，植物调和油吸收剂对甲苯废气的吸收效果见图3。

图2 纯矿物油吸收剂对甲苯废气的吸收效果Fig.2 Absorption effect of pure mineral oil absorbent on toluene waste gas

图3 植物调和油吸收剂对甲苯废气的吸收效果曲线Fig.3 Absorption effect curve of plant blending oil absorbent on toluene exhaust gas

图2、图3为不同甲苯进气浓度对两种纯吸收剂吸收效果的影响。由图可以看出，两种吸收剂在吸收初始阶段均对甲苯有较好的吸收效果，矿物油是从石油、煤炭、油页岩中提取和精炼的，含有一定的苯系物成分，故通过相似相溶原理[17]对甲苯废气进行吸收，对各进气浓度的初始吸收效率均达到99%以上，且初始甲苯出口浓度均低于50 mg/m3[18]。植物调和油对甲苯的初始净化效率略低于矿物油，甲苯进口浓度处于8 000～10 000 mg/m3时的出口浓度大于150 mg/m3，但仍能达到95%以上，这与Ozturk B,Yilmaz所做的研究结果相似[19]。 随着甲苯进气时间的增长，两种吸收剂对甲苯的吸收效率均发生明显下降，同时随着进气甲苯浓度的增大，两种吸收剂的饱和吸收时间均逐渐减少，随着进口甲苯浓度从1 000 mg/m3增加至10 000 mg/m3，两种吸收剂对甲苯的初始吸收效率均逐渐增大，与岑超平在甲苯进口浓度增大时的吸收剂吸收效率变化规律类似[20]。随着进口甲苯浓度的增大，矿物油的饱和吸收时间从155 min缩短至80 min，植物调和油的饱和吸收时间从145 min缩短至65 min。

2.2 植物调和油与矿物油复配后对饱和吸收时间及吸收效率的影响

将植物调和油和矿物油按1∶4,2∶1,1∶1,1∶2,4∶1的体积比比例进行复配，以1 000 mg/m3的甲苯进气量为例对其吸收效率及饱和吸收时间进行测定，见图4。

图4 复配后吸收剂对甲苯废气的吸收效果曲线Fig.4 Absorption effect of absorbent on toluene exhaust after compounding

由图4可知，植物调和油和矿物油分别按照1∶1,2∶1,1∶4,1∶2,4∶1复配后的饱和吸收时间分别为：305,295,285,165,225 min，较纯吸收剂的饱和吸收时间均有明显延长。但复配后吸收剂的初始吸收效率仅分别为93.27%,93.46%,89.71%,92.22%,89.14%，较纯吸收剂单独吸收时吸收效率95%以上有了明显降低。可能的原因为两种吸收剂密度不一，吸收初始阶段在甲苯废气作用主要进行的是两种吸收剂的液-液接触，故初始吸收效率较低，待两种吸收剂完全混匀后由甲苯废气推动下的液-液接触逐渐转变为甲苯废气与混合吸收剂的气-液接触。在几种复配比例中，1∶1复配后的饱和吸收时间达到305 min，初始吸收效率大于93%，吸收效果最佳。

图5 复配后吸收剂对甲苯废气的吸收效率曲线Fig.5 Absorption efficiency curve of absorbent toluene exhaust gas after compounding

2.3 复配前后吸收剂的饱和吸收容量

利用以下公式，通过积分法计算吸收剂对甲苯的饱和吸收量：

式中QS——吸收剂饱和吸收量，mg/g；

Q——甲苯进气量，m3/min；

t——吸收饱和时间，min；

C进——进口甲苯浓度，mg/m3；

C出——出口甲苯浓度，mg/m3；

m——吸收液质量，g。

图6为纯矿物油、植物调和油矿物油1∶1复配及纯植物调和油对1 000,2 000,4 000,8 000,10 000 mg/m3甲苯的饱和吸收浓度。由图6可以看出，矿物油的饱和吸收量略大于植物调和油的饱和吸收量，且均在甲苯进口浓度8 000 mg/m3时饱和吸收量达到最大，矿物油和植物调和油的最大饱和吸收量分别为10.2,6.0 mg/g。进行1∶1复配后的吸收剂在各个浓度的饱和吸收量均有了一定程度的提高，其中在甲苯进口浓度4 000 mg/m3时饱和吸收量较单种吸收剂有了大幅提高，从原先的矿物油饱和吸收量仅6.19 mg/g，植物调和油饱和吸收量4.61 mg/g大幅提升至13.62 mg/g。

图6 不同甲苯进气浓度下的吸收剂饱和吸收量Fig.6 Absorbent absorption of different toluene atmospheric concentration

为探究其饱和吸收量增大的原因，对矿物油、植物调和油及1∶1复配后的吸收剂粘度进行了测定，测定结果见表1。复配后的吸收剂与纯矿物油相比黏度有所降低，粘度较低的溶剂吸收剂的液膜分子间内摩擦阻力较小，甲苯进入溶剂吸收液的阻力也较小，吸收效果较好[9]。而纯植物调和油虽本身粘度较低，但本身与甲苯相似成分较少，故饱和吸收量较低。

3 结论

本研究在单种有机液体吸收甲苯的基础上又对吸收液进行了比例复配，研究了植物调和油、矿物油及按比例复配后的复合油分别吸收不同浓度甲苯的饱和吸收量及吸收效率随时间变化的关系，得出以下结论：

(1)纯矿物油的最大饱和吸收时间为155 min，植物调和油的最大饱和吸收时间为145 min，而1∶1复配后的新型吸收剂最大饱和吸收时间大幅增加至305 min，随着甲苯进口浓度增大，3种吸收剂的饱和吸收时间均有明显减少。

(2)矿物油及植物调和油均对甲苯有一定吸收能力，且初始吸收效率均能达到95%以上，但吸收剂饱和吸收时间较短，饱和吸收量相对复配后较小，最大仅为8 000 mg/g3浓度下10.2 mg/g，且随着进口甲苯浓度增大，饱和吸收时间缩短明显。

(3)矿物油与植物调和油按照一定比例复配后得到的新型吸收剂，对甲苯的饱和吸收时间及饱和吸收量均有明显提高，在甲苯进口浓度4 000 mg/m3时饱和吸收量达到13.62 mg/g，但初始阶段吸收效率相对单种吸收剂均有所下降，整体上新型吸收剂>矿物油>植物调和油。