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 劉海弟，  李文輝，  李偉曼，  吳鎮(zhèn)江，  陳運法

 （中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100190）

 摘要：研究旋轉(zhuǎn)填充床(rotating packed bed, RPB)去除模擬餐飲廢氣中油滴的效果，RPB中氣液兩相并流通過旋轉(zhuǎn)床，摸索RPB轉(zhuǎn)速、吸收液流速、吸收液組分對油滴去除效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)：氣液并流式RPB的氣體壓降不高，且隨著RPB轉(zhuǎn)速提高其氣體壓降不斷降低；RPB對模擬餐飲廢氣中粒徑為o．7um油滴的去除效率較高(接近80'YO)，吸收液流速提高和RPB轉(zhuǎn)速提高都有利于模擬餐飲廢氣中油滴的吸收；此外，吸收液中添加適量表面活性劑也可明顯提高RPB的油煙吸收效果，其原因很可能在于表面活性劑提高r吸收液和油滴的相溶性。由于RPB具有操作靈活、壓降小、去除效率較高等顯著優(yōu)點，有望在餐飲廢氣的治理方面獲得廣泛應(yīng)用。

 關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)填充床；油滴；餐飲廢氣；吸收

 隨著當前我國大氣灰霾污染溯源研究的進展，餐飲導(dǎo)致的油滴和VOCs排放逐漸為人們所了解和重視。許多中國特色的烹飪方式都能夠?qū)Υ髿猱a(chǎn)生有機氣溶膠的直接排放，這種排放多發(fā)生于人口稠密區(qū)域且排放時間非常集中，所以此類污染對局部的空氣質(zhì)量惡化具有一定的作用。目前，餐飲廢氣的凈化和處理已經(jīng)表現(xiàn)出顯著的技術(shù)需求。餐飲廢氣巾含有大量油滴和VOCs，其中的油滴因為高溫的氧化而具有很高的粘度，降溫后很容易在吸附材料表面形成連續(xù)油膜，阻塞材料的過濾縫隙和吸附孔道，這導(dǎo)致過濾膜和活性炭等材料在餐飲廢氣的處理上效果不佳。此外，常見餐飲企業(yè)往往已經(jīng)安設(shè)完畢抽風(fēng)裝置，因此可供廢氣處理模塊使用的氣體壓降非常有限，模塊的占地也往往不能保證，因此餐飲廢氣處理的模塊需要兼具壓降低、占地小和操作靈活的特點。電除塵技術(shù)由于氣阻很小而被視為處理餐飲廢氣的重要技術(shù)，該技術(shù)在霧滴去除方面也取得了很好的應(yīng)用效果，然而集塵極板累積油污后難以清理是一個重要的技術(shù)難題，另外，在設(shè)備內(nèi)沉積的油膜有導(dǎo)通電暈極和集塵極而發(fā)生火災(zāi)的危險。

 旋轉(zhuǎn)填充床(rotating packed bed，RPB)是一種能實現(xiàn)高效氣液接觸的新型裝置，其原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的絲網(wǎng)或多孔床層完成氣體和液體的充分接觸，該技術(shù)已經(jīng)在吸收、脫附和材料制備領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用和良好的效果。當RPB內(nèi)的氣液2項并流通過床層時，該設(shè)備的旋轉(zhuǎn)反而會給氣流提供正壓頭，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速越高、設(shè)備氣流壓降越小的現(xiàn)象，非常適合處理餐飲廢氣。此外，RPB具有操作靈活的特點，裝置開停車方便，恰好符合餐飲企業(yè)間歇工作的實際情況。

 本研究使用自制的RPB裝置，摸索了RPB轉(zhuǎn)速、液體流速和吸收液成分等參數(shù)對模擬餐飲廢氣中油滴的吸收效果的影響，獲得了較優(yōu)的操作參數(shù)，有望對餐飲廢氣處理提供一種新型高效的技術(shù)選擇。

1  實驗部分

1.1  儀器、試劑和材料

V-3600型紫外可見分光光度計(日本島津公司SHIMADZU)，TSI-3079型氣溶膠發(fā)生器（美國TSI公司），Testo-510型壓差儀（德國Testo公司）。1-苯基偶氮-2-萘酚（蘇丹紅1號）標準品（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；正己烷、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和十二烷基硫酸鈉(SDS)為分析純（韋斯化學(xué)試劑公司）；大豆油為金龍魚精煉一級大豆油(1.8 L包裝)；RPB裝置旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其加液口在油煙吸收操作中需封堵。消泡劑選擇德國畢克公司的BYK-19和BYK-12型消泡劑。

1.2  實驗過程

1.2.1  旋轉(zhuǎn)填充床壓降研究

 將在旋轉(zhuǎn)填充床氣流進口和出口處設(shè)置三通，并將2個三通的支路通過軟管與Testo-510壓差計的兩個檢壓口相連接。在吸收液槽中注入純水，固定氣流流量為2 m3/h，在不同旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速和液體循環(huán)流量下檢測體系的壓降，得到旋轉(zhuǎn)填充床在不同轉(zhuǎn)速和液體流量條件下的壓降結(jié)果。

1.2.2  旋轉(zhuǎn)填充床對模擬油煙的吸收

將蘇丹紅1溶于大豆油中，兩者質(zhì)量比為134.2:1，將所得紅色液體注入TSI-3079氣溶膠發(fā)生器的持液瓶中，調(diào)節(jié)氣溶膠發(fā)生器的流量為150 L/h，所產(chǎn)生的油霧氣溶膠和壓縮空氣一起通人RPB的進氣管中，實驗中控制壓縮空氣流量為2 m3/h，由于TSI-3079所發(fā)生的氣溶膠壓力很低，難以克服后系統(tǒng)的氣體阻力，因此將2 m'Yh的壓縮空氣通人玻璃水抽的進水口，而將其抽氣口通過軟管與TSI-3079的出氣口相連，這樣便可以通過壓縮空氣的氣流負壓將TSI-3079所發(fā)生的氣溶膠抽入進氣氣流中(如圖2(a)所示）。實驗中RPB轉(zhuǎn)速選擇300、600、900和1 000r/min這4個水平，液相流量選擇4、3、2和l L/min這4個水平。RPB下部的液槽內(nèi)液體體積為3L，選擇去離子水、0.2%(w)的CTAB溶液、0.2%(w)的SDS溶液為3種不同的吸收液，其中CTAB和SDS的溶液中需加入少量BYK-12和BYK-12消泡劑。從RPB流出的氣體從下部通入一個直徑10 cm的G3規(guī)格的玻璃砂芯漏斗，其上部覆蓋3層活性炭纖維氈，并用皮筋束緊(如圖2(b)所示）。實驗結(jié)束后將砂芯漏斗取下，將活性炭纖維氈填塞于砂芯漏斗中，置于抽濾瓶上，并用1L正己烷充分洗滌，所收集的洗滌液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸發(fā)濃縮并定容于100 mL，利用紫外可見分光光度計檢測該溶液在462 nm處的吸光度值，由于蘇丹紅1和大豆油具有固定的質(zhì)量比，所以可以通過檢測蘇丹紅1的濃度而間接計算出大豆油的濃度和大豆油量W3，詳細測試方法可見文獻[9]。每次實驗中氣溶膠發(fā)生器工作1h，所消耗的大豆油總質(zhì)量由氣溶膠發(fā)生器的持液瓶在實驗前后的質(zhì)量差獲得(Wl)，同時要將水抽至RPB進口的氣體管路的管壁用正己烷清洗一遍，所得的清洗液定容后同樣利用紫外可見分光光度計檢測該溶液在462 nm處的吸光度值，并獲得其大豆油含量W2(該油量為粘附在RPB進口管壁上的油量，需從總耗油量中扣除)，整個裝置的油煙去除效率可利用公式(Wl-W2-W3)/(Wl-W2)x100%獲得。

2  結(jié)果和討論

2.1  旋轉(zhuǎn)填充床的壓降研究

在使用純水為循環(huán)液、固定氣體流量為2 m3， h的條件下，研究了氣液并流旋轉(zhuǎn)填充床在不同轉(zhuǎn)速和液體流量下的壓降，其結(jié)果如圖3所示�？芍�，在所有的旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)速下，床層的壓降和循環(huán)液的流量關(guān)系不大，其主要原因在于液體和氣體并流通過床層，液體的參與不會對氣體流動發(fā)生拖曳和阻滯，因此在固定旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)速的情況下，在1~4 L/min的液體流量范圍內(nèi)，氣體的壓降幾乎不變。在旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速為零的情況下，床層氣體壓降為190 Pa左右，而隨著旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)速的提高，床層的氣體壓降不斷降低，當轉(zhuǎn)速提高到900 r/min和1 000 r/min時，床層的氣體壓降分別降低至100 Pa和80 Pa左右，其原因在于當氣體和液體采用并流的方式由內(nèi)而外通過旋轉(zhuǎn)填充床時，床層內(nèi)絲網(wǎng)填料的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力為氣體流出提供了動力，因此床層的壓降隨轉(zhuǎn)速上升而不斷減小�？芍�，并流式旋轉(zhuǎn)填充床非常適合用來處理靜壓頭很低的餐飲廢氣。

2.2  吸收液成份對吸收效果的影響

由于本吸收過程涉及到油滴在水溶液當中的分散，因此在吸收液中適當添加表面活性劑將有助于提高油滴的吸附效果。本實驗中嘗試了去離子水、0.2%(w) SDS水溶液和0.2%(w) CTAB水溶液這幾種吸收液，實驗過程中RPB轉(zhuǎn)速控制在1 000 r/min，氣體流量控制在2.15 m3/L，吸收液流量控制在3 L/min。研究結(jié)果如圖4所示，可知表面活性劑的添加明顯改善了油滴的吸收效果。這是因為當油滴和RPB中快速更新的液膜或液絲相接觸時，吸收液中的表面活性劑顯著降低了油滴和吸收液間的界面張力，使油滴迅速分散進入液相主體中而完成吸收，當使用純水作為吸收液時，油滴與吸收液之間強烈的界面不相容性導(dǎo)致油滴很難分散入水相，即使進入水相也很可能是以微細油滴的形式存在，這種微細的油滴很可能會被RPB高速旋轉(zhuǎn)的填料切削而霧化，重新進入氣流中逃逸，因此，使用純水作為吸收劑的效果低于使用表面活性劑溶液的情況。相比較而言，使用SDS這種陰離子表面活性劑和CTAB這種陽離子表面活性劑所獲得的油滴吸收效果比較接近。但從實際操作考慮，CTAB是較好的選擇，因為CTAB具有陽離子性的季銨頭基，可以表現(xiàn)出顯著的滅菌消毒的能力，這不但可以對廢氣進行一定程度的滅菌凈化，而且可以保證吸收液在設(shè)備停機期間不會腐敗變質(zhì)。

2.3  RPB轉(zhuǎn)速對吸收效果的影響

RPB的轉(zhuǎn)速高低是體現(xiàn)其優(yōu)異氣液接觸效果的關(guān)鍵所在，轉(zhuǎn)速越低其氣液接觸效果將越接近傳統(tǒng)的固定式填料塔，轉(zhuǎn)速越高則越體現(xiàn)出其高效的氣液接觸效果，因此RPB的轉(zhuǎn)速是其最關(guān)鍵的操作參數(shù)之一。本實驗對RPB轉(zhuǎn)速的研究結(jié)果如圖5所示，實驗中固定氣體流速為2.15 m3/h，吸收液循環(huán)流速為311min，吸收液成分為0.2% (w) CTAB水溶液，從實驗結(jié)果可知，當旋轉(zhuǎn)填充床在低轉(zhuǎn)速下操作時，油煙的吸附率較低，僅為48%左右，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，RPB對氣體中油滴的吸收效果不斷上升，但當轉(zhuǎn)速提高至900 r/min時，油滴的吸收率提高至79.18%，轉(zhuǎn)速提高至1 000 r/min時，油滴的吸收率為79.29%，吸收效率趨于平緩。由此可知在當前的操作條件下，RPB的適合轉(zhuǎn)速為900—1 000 r/min，過高的轉(zhuǎn)速會帶來更大的能量消耗和設(shè)備磨損，當設(shè)備尺寸較大時，RPB的過高轉(zhuǎn)速將對設(shè)備加工、動平衡等環(huán)節(jié)提出苛刻要求。因此RPB轉(zhuǎn)速控制在900—1 000 r/min是比較合理的。此外，從實驗結(jié)果還可看出，轉(zhuǎn)速600 r/min和1900 r/min下的吸收效果相差很大，其原因很可能在于RPB的向心加速度和旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，因此兩者間向心加速度差別較大，導(dǎo)致900 r/min轉(zhuǎn)速下RPB中液膜厚度遠遠低于600 r／min時的液膜厚度，明顯促進了傳質(zhì)的進行。同時，在更高轉(zhuǎn)速下操作時（例如1 000 r／min），RPB容易將吸收液劇烈切削而產(chǎn)生較多霧滴，這些霧滴里面含有已經(jīng)被吸收液捕捉的大豆油成分，其尺寸雖然遠遠大于經(jīng)TSI一3079霧化的大豆油滴(0.7um)，但也能從RPB中隨氣流逸出，導(dǎo)致RPB裝置的油煙吸收效果的損失，這可能是1 000 r／min轉(zhuǎn)速下油煙吸收效果沒有明顯高于900min時效果的原因。

2.4  吸收液流量對吸收效果的影響

  吸收液的循環(huán)流量也是影響RPB除油滴性能的重要參數(shù)，在實際操作中，希望通過最低的吸收液流量來獲得盡量高的油滴吸收效果。吸收液循環(huán)流量對油滴吸收效果的影響結(jié)果如圖6所示，實驗中固定RPB轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，吸收液為0.20/) (w)CTAB水溶液，氣流流量為2.15 m3/h。由實驗結(jié)果可知，吸收液循環(huán)流量增大有助于提高吸收效果，然而當流量增大至一定程度時，吸收效果將不再變化。因此當氣體流量固定于2.15 m3/h時，吸收液循環(huán)流量控制在3L/min是比較合理的，該條件可以兼顧較好的吸收效果和較低的操作費用。提高RPB的液相往往能提高裝置的氣相組分的吸收效果，其原因有二：(1)更大的液相流量使單位時間內(nèi)接觸氣相的液體增多，容易將過程向吸附更徹底的方向推進。(2)當液相流量增大時，RPB床層內(nèi)有更多的液體被絲網(wǎng)填料切屑和撞擊，產(chǎn)生更多的高速更新的液膜、液絲和液滴，這都對氣相中霧滴的吸收有所促進。

 然而從實驗結(jié)果還可看出，模擬油煙的吸收效果和RPB的內(nèi)部空間有限，當液量增大到一定程度時，RPB內(nèi)部高速更新的液體表面可能不會再因為液量的增加而增加，所以當液量提高到3 L/min時油煙的吸收效果不再有所提高。另外，如前所述，更大液量下，高速轉(zhuǎn)動的RPB會從吸收液中切削出更多的霧滴，其中含有已經(jīng)被吸收的大豆油成分，這些吸收液霧滴逃逸出RPB后被砂芯漏斗和活性炭氈所捕捉，一定程度上降低了實驗測得的RPB油煙去除效率。

3  結(jié)論

 RPB具有明顯的低壓降的優(yōu)點。在本研究所使用的實驗裝置中，RPB轉(zhuǎn)速達到1 000 r/min時，其氣體壓降在80 Pa左右（氣量2 m3/h）。利用RPB可以對含有模擬油煙的廢氣進行有效的處理。當旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速提高至900—1 000 r/min時，油煙去除的效果較好；當吸收液流量為3 L/min時，油煙去除效果較好；當吸收液使用表面活性劑溶液時，其吸收效果好于使用純水時的效果。對以上的實驗現(xiàn)象進行解釋的分析可知，采用RPB處理餐飲油煙具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，有望在餐飲企業(yè)的廢氣治理方面獲得實際應(yīng)用。