袁东超，王洁，于美玲，杨迪，董艳苓，武莉娅，李爽，杨宗政

(1.天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457；2.天津市津津药业有限公司，天津 300380； 3.天津市庆安环境检测有限公司，天津 300451)

吸收法具有效率高、操作简单且污染物便于回收利用等优点被广泛应用于雾霾贡献物VOCs的治理[1-3]。孔鹏等[4-5]以复合溶剂(V油酸甲酯∶V油酸乙酯=1∶1)吸收乙酸丁酯废气，在一定操作条件下乙酸丁酯吸收率可达94.12%。刁春燕等[6-7]以易燃、易挥发的生物柴油(BDO)吸收浓度<7 000 mg/m3乙酸丁酯废气时，吸收率可达到98%以上。近年来，利用加入表面活性剂的水吸收VOCs中的甲苯取得良好效果[8-13]，而未见对乙酸丁酯废气吸收的研究报道。本文以Tween系列表面活性剂水溶液和Span-80不同复配比的乳液作为吸收剂，分析了吸收剂温度、液气比、进塔浓度对乙酸丁酯废气吸收率的影响，以期为乙酸丁酯废气治理提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

乙酸丁酯、Tween-20、Tween-40、Tween-60、Tween-80、Span-80均为化学纯。

ACO-818型空气泵(功率为385 W，排气量300 L/min)；BT100-2J型蠕动泵；吸收塔(填料层高度1 000 mm，塔径50 mm，采用13 mm陶瓷拉西环填料，散装)，自组装；PID VOC气体检测仪。

1.2 实验方法

实验装置流程见图1。

图1 实验装置流程图Fig.1 Flow chart of experimental device

1.空气泵；2.缓冲罐；3.汽化罐；4.吸收剂保温箱；5.吸收塔；6.吸收剂蠕动泵；7.解吸液保温箱；8.解吸液蠕动泵；9.蒸汽发生器；A.检测点；F1、F2.流量计；T.温度计

空气泵将新鲜空气打入缓冲瓶，经缓冲瓶后分为两路，一路经过装有乙酸丁酯液体的汽化罐与另一路气体在管道中混合以模拟工厂乙酸丁酯废气，从吸收塔底部进入的气体与来自塔顶的吸收剂进行逆流吸收，吸收后的吸收液进入吸收液储存罐中。在解吸操作中，解吸液经蠕动泵从塔顶进入与来自塔底的蒸汽发生器制成的水蒸气逆流解吸，解吸后的解吸液可作为吸收剂重复使用。

实验过程中通过调节两个流量计进而调节进塔气体流量和进塔乙酸丁酯浓度，进出塔气体的乙酸丁酯浓度均可在检测点利用PID VOCs检测仪进行检测；吸收剂和解吸液流量分别通过两台蠕动泵进行调整具体数值，进塔吸收剂温度可由塔顶温度计进行测量。本实验配制的表面活性剂水溶液均为1 500 mL，每次吸收稳定5 min后进行出塔气体浓度的测量。

乙酸丁酯的吸收率可由下式计算：

η=(Cm1-Cm2)/Cm1×100%

式中η——吸收率，%；

Cm1——进塔乙酸丁酯质量浓度，mg/m3；

Cm2——出塔乙酸丁酯质量浓度，mg/m3。

2 结果与讨论

2.1 吸收剂的筛选

实验选取了Tween-20、Tween-40、Tween-60与Tween-80表面活性剂，分别配制了浓度(体积浓度)为0.10%，0.25%，0.50%，0.75%，1.0%，1.5%，2.0%水溶液作为乙酸丁酯吸收剂。实验条件：进塔气体流量为1.0 m3/h，吸收剂(表面活性剂水溶液)流量为5.0 L/h，进塔乙酸丁酯浓度为8 000 mg/m3，研究不同浓度的Tween表面活性剂对乙酸丁酯的吸收效果，结果见图2。

图2 不同浓度表面活性剂对乙酸丁酯吸收效果的影响Fig.2 Effect of different surfactant concentrations on the absorption of butyl acetate

实验中发现，在本研究的实验条件下，当表面活性剂浓度>2.0%时，由于表面张力的作用，吸收过程中会有大量的泡沫产生，因此对>2.0%浓度的纯表面活性剂不做研究。由图2可知，4种Tween类型表面活性剂对乙酸丁酯的吸收率大小为Tween-80>Tween-60>Tween-40>Tween-20，而四者的亲水疏水平衡值(HLB)分别为15.0，14.9，15.6，16.7[14]，其中Tween-20和Tween-40的HLB值较大，其亲油性较弱，因此吸收率较小。虽然Tween-80和Tween-60的HLB值较小，且Tween-80仅比Tween-60的HLB值大0.1，但Tween-80的乳化性高于Tween-60，所以Tween-80对乙酸丁酯吸收率较大。

2.2 不同浓度Tween-80与Span-80加入量对乙酸丁酯吸收效果的影响

在实验条件相同的情况下，分别在浓度为1.0%，2.0%，3.0%的Tween中加入不同量的Span-80，搅拌混合均匀，定容至1 500 mL，考察不同浓度Tween-80与Span-80加入量对乙酸丁酯吸收率的影响，结果见图3。

由图3可知，乙酸丁酯吸收率均随Tween-80浓度的增加而增加，Span-80的加入量对其吸收率的增加较为明显，且加入量越大，吸收率越大。对比图2可以发现，在同样条件下，复配表面活性剂的水溶液较单一的表面活性剂水溶液对乙酸丁酯吸收率有所增加，这是由于Tween-80与Span-80具有相似的疏水基，二者的混合可以使混合溶液中产生较高浓度的胶束[15]，从而加大了乙酸丁酯的吸收率。Span-80的加入不但可以提高吸收率，还可以使起泡现象不再发生。因此，本研究选用45 mL的Tween-80与45 mL的Span-80混合水溶液作为吸收剂，此时二者的浓度各为3.0%。

图3 Span-80加入量对乙酸丁酯吸收效果的影响Fig.3 Effect of Span-80 addition on the absorption of butyl acetatea.1%浓度Tween；b.2%浓度Tween；c.3%浓度Tween

2.3 吸收剂温度对吸收效果的影响

在企业的工程应用中，由于一年中四季的变化，吸收剂的温度也会随之发生改变，这些因素会影响VOCs的吸收。在本研究中，控制实验条件为进塔乙酸丁酯浓度9 565 mg/m3，进塔气体流量1 m3/h，吸收剂流量为15.0 L/h，研究不同温度的吸收剂对吸收率的影响，结果见图4。

由图4可知，温度是影响乙酸丁酯吸收率的重要因素之一。当吸收剂温度在5～35 ℃变化时，吸收率下降了28.83%，这是因为随着温度的升高，乙酸丁酯在吸收剂中的溶解度降低，同时，根据亨利定律，当吸收剂温度升高时，亨利常数会增加，因此，在其他条件不变的情况下，吸收剂温度的升高不利于乙酸丁酯的吸收。

图4 吸收剂温度对吸收效果的影响Fig.4 Effect of absorbent temperature on absorption

2.4 液气比对吸收效果影响

在填料塔的气体吸收和设计中，液气比是一个比较重要的工艺参数，液气比的变化会影响气体的吸收效果。实验条件：进塔乙酸丁酯浓度为9 565 mg/m3，进塔气体流量为1 m3/h，吸收剂温度为10 ℃，通过增大吸收剂的流量来控制液气比的大小，以此来研究液气比的改变对乙酸丁酯吸收效果的影响，结果见图5。

图5 液气比对吸收效果的影响Fig.5 Effect of liquid-gas ratio on absorption

由图5可知，液气比从3.7 L/m3增加到16.8 L/m3的过程中，乙酸丁酯吸收率从60.50%增加到了91.86%，且出塔浓度不断减小。这是因为当液气比较小时，吸收剂流量较小，填料的表面没有得到充分的润湿，而液气比的增加相当于加大了填料的润湿率，提高了传质推动力，所以液气比的增加有利于乙酸丁酯的吸收。考虑到吸收剂的成本问题，本研究选用的液气比为15.0 L/m3，此时的吸收剂流量为15.0 L/h。

2.5 进塔乙酸丁酯浓度对吸收效果影响

实验条件：进塔气体流量为1 m3/h，吸收剂流量为15 L/h，吸收剂温度为10 ℃，研究不同的进塔乙酸丁酯浓度对吸收效果的影响，结果见图6。

图6 进塔乙酸丁酯浓度对吸收效果影响Fig.6 Effect of butyl acetate concentration on absorption

由图6可知，当进塔浓度在2 000～9 500 mg/m3范围内变化时，乙酸丁酯吸收率均在82.00%以上，且随着浓度的增加吸收率略有增加。这是因为当温度和压力不变时，气体在液相中的平衡浓度与乙酸丁酯在气相中的平衡分压成正比，从而增大了气液两相的传质推动力，所以在进塔浓度增大时，吸收率略有增加。

2.6 吸收剂的循环使用

吸收剂在吸收完成后直接排放不但会造成浪费，还会引起二次污染，因此需对吸收剂进行回收再利用。研究中采用吸收实验的填料吸收塔作为本研究的解吸塔，解吸实验条件：进塔水蒸气流量1 m3/h，解吸液流量13 L/h；吸收实验条件：进塔乙酸丁酯浓度为9 430 mg/m3，进塔废气流量1 m3/h，吸收剂(解吸后的吸收剂)流量15 L/h，吸收剂温度为10 ℃，实验中每次吸收完成后再进行解吸，共循环解吸3次，同时研究解吸次数对吸收效果的影响。实验结果表明，第1次解吸完成后进行吸收实验的吸收率为81.21%，第2次为80.09%，第3次为78.39%，吸收效果会有所降低，降低原因为解吸过程中吸收液的温度低于水蒸气的温度，使部分水蒸气冷凝成液态水溶于吸收剂中，使表面活性剂的浓度有所降低，从而降低了吸收率。

3 结论

四种Tween类型表面活性剂中Tween-80对乙酸丁酯的吸效果最好，且吸收率随其浓度的增加而增大；Span-80的加入不但能够消除起泡现象还能提高乙酸丁酯吸收率，其加入量越大吸收率越大；3.0%的Tween-80与3.0%的Span-80复配水溶液对乙酸丁酯具有较大的吸收率，在吸收剂温度为10 ℃，进塔废气流量为1.0 m3/h，进塔吸收剂流量为15 L/h，液气比为15 L/m3时，复配表面活性剂对乙酸丁酯吸收率可达到90.65%。在一定条件下，解吸后的吸收剂对乙酸丁酯吸收率为81.21%，随着解吸次数的增加吸收率略有降低。本研究为工业选择合适的乙酸丁酯吸收剂提供了理论基础，工艺参数对吸收率的影响在工程设计中具有指导意义。