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非离子型表面活性剂微乳液增溶吸收治理VOCs

作　者: 刘恋
导　师: 田森林
学　校: 昆明理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 微乳液表面活性剂增溶吸收挥发性有机物甲苯
分类号: X701
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

挥发性有机物(VOCs)不仅带来环境污染问题,同时也产生了一定的经济损失,随着对大气污染物认识的提高,VOCs的高效、经济控制方法已经成为环境领域的热点问题之一。吸收是一种发展较早、工艺成熟、应用范围广泛的化工分离操作,能在消除气态污染物的同时对污染物进行回收利用,是常用大气污染物治理技术之一。采用吸收法处理VOCs主要受到吸收剂的限制,本研究利用甲苯可以和非离子表面活性剂以及助表面活性剂形成微乳液,从而增大典型VOCs-甲苯的表观溶解度的特性,吸收净化含甲苯有机废气。研究内容包括：(1)通过拟三元相图筛选最佳吸收体系；(2)甲苯与吸收剂间的气液吸收平衡关系；(3)吸收传质过程、动力学及影响因素分析；(4)填料塔实验室小试；(5)吸收剂再生。结果表明：(1)利用在吸收过程中自动形成非离子表面活性剂/甲苯/水微乳液的方式增溶吸收净化含甲苯的有机废气是可行的。(2)在不加入助表面活性剂的情况下,对非离子表面活性剂进行筛选,对于Tween体系,Tween-60优于其它表面活性剂；而对于Trition X (TX)体系,TX-100较好；单一或混合表面活性剂溶液的最佳亲水亲油平衡值(HLB)同样均为15；助表面活性剂的加入明显提高了非离子型微乳体系的增溶吸收能力,提高增溶容量的能力大小顺序为：正丁胺>正丁醇>正丁酸,最佳助表面活性剂是正丁胺；短碳链的助表面活性剂更有利于增溶吸收；直链醇优于支链醇。研究发现当分析助表面活性剂对相行为的影响时,使用Bansal, Shah, O’Connell (BSO)公式并不适用微乳液体系,而采用HLB值来分析更为合理；温度对非离子型微乳液体系具有一定的影响,且低温条件更有利于吸收；由于非离子表面活性剂本身不带电荷,因此盐的加入对增溶吸收几乎没有影响。(3)当非离子表面活性剂浓度大于临界胶束浓度(CMC)时胶束形成,对有机物甲苯的增溶作用显著；增溶曲线在CMC处出现折点；微乳液较表面活性剂溶液增溶能力更强,增溶比更大。同时可以看出,所选Tween体系的CMC值较低,即表面活性剂溶液在极低的浓度条件下就可形成胶束,有利于增溶吸收含甲苯有机废气。(4)采用双磁力搅拌器研究了非离子表面活性剂微乳液吸收甲苯的传质机理及反应动力学。在温度为30℃,液相转速为120 r/min, Tween-20溶液浓度范围为8.157～40.783 mol/m3, Tween-20/甲苯/水微乳液体系的液膜传质系数κL=9.183×10-5 m/s,气膜传质系数κG=7.502×10-7 mol/(m2.s),吸收为液膜控制过程；Tween-20溶液吸收甲苯为快速拟一级反应,二级反应速率常数κ2=0.00122 m3/(mol·s)。实验获得的增强因子与模型计算值吻合较好,最大相对误差不超过12.904%。吸收速率和吸收容量随着Tween-20浓度的增大而升高,尤其是当浓度高于CMC浓度时,吸收速率及吸收容量增加更显著；当气液两相有效接触面积不变时,吸收剂体积仅影响吸收剂的吸收容量；添加助表面活性剂和降低温度更有利于微乳液增溶吸收甲苯有机废气。(5)采用微乳液作为吸收剂在填料塔内进行实验室小试,探讨了喷淋量、甲苯浓度负荷、表面活性剂浓度和助表面活性剂对甲苯去除率的影响。结果表明：微乳液吸收处理甲苯废气具有显著的效果；采用Tween-20作为表面活性剂时最适喷淋量为40 L/h(液气比为1：5),且随着甲苯浓度负荷的升高,甲苯去除率随之增加；添加助表面活性剂可以不同程度的提高甲苯的去除率,Tween-20/正丁胺／甲苯／水微乳体系为吸收甲苯的最佳体系。在微乳液低浓度条件下,甲苯的最高去除率可达65%。(6)通过采用直接蒸馏的实验方法,可以对饱和吸收剂实现再生,且解吸率均在98%以上,因此直接蒸馏为吸收剂再生可行的方法之一。研究结果表明,采用微乳液吸收净化含甲苯有机废气克服传统液体吸收剂存在的成本高、溶剂挥发损失大、二次污染问题突出等限制,具有较好的应用前景,为VOCs污染控制提出一种可行的新思路。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章文献综述  13-44
  1.1 挥发性有机物(VOCs)污染控制  13-15
    1.1.1 VOCs简介  13-14
    1.1.2 VOCs污染控制技术  14-15
  1.2 吸收法处理VOCs研究进展  15-20
    1.2.1 吸收机理  16-17
    1.2.2 吸收设备  17-19
      1.2.2.1 吸收设备的选择  17-18
      1.2.2.2 填料塔  18-19
    1.2.3 吸收剂的选择  19-20
  1.3 表面活性剂及其在吸收分离中的应用  20-33
    1.3.1 表面活性剂的性质及其作用  20-31
      1.3.1.1 临界胶束浓度  20-21
      1.3.1.2 表面张力  21
      1.3.1.3 亲水-亲油平衡(HLB)值  21-22
      1.3.1.4 增溶作用  22-31
    1.3.2 非离子表面活性剂简介  31-32
    1.3.3 温系列非离子表面活性剂  32-33
  1.4 微乳液吸收剂  33-39
    1.4.1 微乳液的定义  33-34
    1.4.2 微乳液的微观结构及制备  34-37
    1.4.3 微乳液的影响因素  37-38
    1.4.4 拟三元相图  38-39
  1.5 本研究选题依据和研究思路  39-42
  1.6 本课题的研究内容和意义  42-44
第二章非离子表面活性剂吸收体系筛选  44-65
  2.1 实验材料与方法  44-46
    2.1.1 实验试剂  44-45
    2.1.2 实验方法  45-46
    2.1.3 拟三元相图绘制  46
  2.2 结果与讨论  46-63
    2.2.1 最佳表面活性剂筛选  47-49
      2.2.1.1 TWEEN体系表面活性剂筛选  47-48
      2.2.1.2 TX体系表面活性剂筛选  48-49
    2.2.2 最佳HLB值  49-51
      2.2.2.1 TWEEN体系最佳HLB值  49-50
      2.2.2.2 TX体系最佳HLB值  50-51
    2.2.3 助表面活性剂筛选  51-55
      2.2.3.1 TWEEN体系助表面活性剂筛选  51-54
      2.2.3.2 TX体系助表面活性剂筛选  54-55
    2.2.4 醇碳链长度的影响  55
    2.2.5 助表面活性剂结构的影响  55-59
      2.2.5.1 助表面活性剂结构对TWEEN系列的影响  56-58
      2.2.5.2 助表面活性剂结构对TX系列的影响  58-59
    2.2.6 温度的影响  59-61
      2.2.6.1 温度对TWEEN系列微乳液的影响  60-61
      2.2.6.2 温度对TX系列微乳液的影响  61
    2.2.7 盐浓度的影响  61-63
      2.2.7.1 盐浓度对TWEEN体系微乳液的影响  61-62
      2.2.7.2 盐浓度对TX体系微乳液的影响  62-63
  2.3 本章小结  63-65
第三章甲苯与非离子表面活性剂间汽液平衡关系  65-84
  3.1 实验材料与方法  65-69
    3.1.1 实验试剂及设备  65
    3.1.2 滴体积法测表面张力实验原理  65-67
    3.1.3 实验方法  67-69
      3.1.3.1 表面张力的测定  67-68
      3.1.3.2 甲苯增溶量测定  68-69
  3.2 结果与讨论  69-82
    3.2.1 TWEEN系列表面活性剂表面张力变化规律  69-73
    3.2.2 TWEEN体系胶束溶液对甲苯的增溶作用  73-76
      3.2.2.1 不同表面活性剂对增溶作用的影响  73-75
      3.2.2.2 助表面活性剂对增溶作用的影响  75-76
      3.2.2.3 温度对增溶作用的影响  76
    3.2.3 TWEENS/甲苯/水微乳液体系的增溶作用  76-81
      3.2.3.1 TWEEN系列微乳液与表面活性剂溶液增溶作用比较  76-79
      3.2.3.2 表面活性剂对微乳液增溶作用的影响  79-80
      3.2.3.3 助表面活性剂对微乳液增溶的影响  80-81
      3.2.3.4 温度对微乳液增溶的影响  81
    3.2.4 表观亨利系数计算(H_C)  81-82
  3.3 本章小结  82-84
第四章 TWEEN-20微乳液增溶吸收甲苯传质机理及动力学研究  84-98
  4.1 实验部分  84-86
    4.1.1 实验试剂及设备  84-85
    4.1.2 实验装置  85-86
  4.2 结果与讨论  86-97
    4.2.1 吸收传质机理及传质系数分析  86-87
    4.2.2 甲苯吸收反应动力学区域的确定  87-89
    4.2.3 拟一级反应及二级反应速率常数的确定  89-90
    4.2.4 增强因子分析  90-91
    4.2.5 快速拟一级反应的验证  91-92
    4.2.6 吸收过程影响因素分析  92-97
      4.2.6.1 TWEEN-20液相浓度对吸收速率及吸收容量的影响  92-93
      4.2.6.2 吸收剂液相体积对吸收速率及吸收容量的影响  93-94
      4.2.6.3 助表面活性剂对吸收速率及吸收容量的影响  94-96
      4.2.6.4 温度对吸收速率及吸收容量的影响  96-97
  4.3 本章小结  97-98
第五章填料塔-微乳液增溶吸收法净化甲苯废气  98-109
  5.1 实验部分  98-100
    5.1.1 实验试剂及设备  98
    5.1.2 填料塔小试实验装置  98-99
    5.1.3 解吸实验装置  99-100
  5.2 结果与讨论  100-106
    5.2.1 吸收剂组成对甲苯吸收的影响  100-101
    5.2.2 TWEEN体系吸收剂筛选  101-102
    5.2.3 TWEEN-20浓度对甲苯去除率的影响  102-103
    5.2.4 喷淋量对甲苯去除率的影响  103-104
    5.2.5 甲苯浓度负荷对甲苯去除率的影响  104
    5.2.6 助表面活性剂对甲苯去除率及吸收容量的影响  104-106
  5.3 微乳液体系再生初步研究  106-107
  5.4 本章小结  107-109
第六章结论与建议  109-111
  6.1 研究结论  109-110
  6.2 建议  110-111
致谢  111-113
参考文献  113-122
附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文  122-123
附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目  123-124
附录C 符号说明  124-126
  C.1 术语  124-125
  C.2 希腊字母  125-126
附录D 填料塔设计图  126

非离子型表面活性剂微乳液增溶吸收治理VOCs

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