第3卷第1期Vol. 3. No. I2003年2月Journal of Safety and EnvironmentFeb,2003文章編號:1009-6094(2003)01-0040-04載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為研究王寶慶1,葛嬡群2,鄭曉明2(1西安建筑科技大學環(huán)境工程系,西安710055:2河北省灤縣環(huán)保局,河北灤縣063700)摘要:研究了載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為。主要包括水和乙醇在微波場中的升溫情況,以及微波功率、活性炭量、氮氣線速對活性炭升溫行為的影。結果表明水與乙醇在微波場中能吸收微波能,從而使其溫度升高。微波功率越大,活性炭升溫越快,活性炭最高溫度也更高?；钚蕴可儆?g時溫度上升速率隨活性炭量的增加而加快,活性炭量多于5g時則相反。氬氣線速增加.活性炭升溫速率下降,活性炭最高溫度降低關鍵詞:微波加熱;活性炭再生;乙醇中圖分類號:X703.1獻標識碼:A醇能吸收微波能并將其轉變?yōu)闊崮?而且微波功率不同,溫度引言升高速率也不同。功率越大,乙醇溫度上升越快。如功率為700乙醇生產過程中產生的淡酒液,主要含有乙醇(5%~W時,只需10s就上升到73C沸騰而功率為100W時,則需8%1)及少量酯類和酸類物質。目前對此類淡酒液主要采用排75才能上升到73C沸騰放的方法處理。若采用吸附法,可將這類淡酒液回收山傳統(tǒng)變溫解吸可通過間接加熱吸附劑或直接與熱氣體接觸來實現(xiàn)。對活性炭,傳統(tǒng)變溫解吸法需加熱的時間很長并且能量消耗大?？傊?吸附法的經濟性主要取決于吸附劑的再生方式熱再生方法可以通過引入微波能加熱被解吸的物質得到改進,與傳統(tǒng)的熱再生方法相比,微波加熱有以下優(yōu)點2:1)熱量的引入通過電磁能的傳輸直接進入吸附劑內部,即體積加熱;2)微波加熱溫度均勻;3)解吸速度快:4)與吸附劑的電子損失相比,被蒸發(fā)吸附質的電子損失更高,因此能實現(xiàn)對吸附質1—微波爐(2450MHz);2—石英玻璃管反應器的選擇加熱3一鎧裝熱電偶:4—數(shù)顯溫度指示儀利用微波能解吸載乙醇活性炭,解吸時間由于微波能的利圖1再生與測溫部分裝置用可以成倍縮短。微波解吸的另一個特點是可以回收乙醇,且Fig. 1 Device of reger無其他副產物。相對傳統(tǒng)的加熱方式,微波解吸再生吸附劑對于乙醇這類極性物質是一種經濟的選擇,微波解吸是再生活性炭的一種很有發(fā)展前景和優(yōu)勢的再生手段1試驗儀器與裝置EO1.1儀器一功率:1009rPτ00型微波爐,特制石英玻璃管,電光分析天平1.2試驗裝00一與書:350w再生與測溫部分裝置如圖1所示。合一功率:7002試驗結果2.1水與乙醇在微波場中的升溫行為Radiation time圖2微波功率對無水乙醇升溫的影響考察載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為,主要考察無水Fig. 2 Influence of microwave power on pure alcohol乙醇和活性炭在微波場中的升溫行為,為后續(xù)試驗作準備temperature不同功率下無水乙醇在微波場中的升溫行為如圖2所示。圖2(分析樣品體積為20mL)表明,將分析純乙醇液體置在微波功率350W、溶液體積20mL時,純水和濃度不同于特制石英玻璃管里放在微波場中,乙醇溫度會上升,說明乙的乙醇溶液在微波場中的升溫行為如圖3所示2003年2月王寶慶,等:載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為研究41從圖3可以看出,無水乙醇溫度升到73C沸騰,而純水溫由圖4可知,其他條件相同時微波功率對活性炭的升溫行度升到⑨4℃沸騰、所測定的已知濃度的乙醇溶液溫度也是升為旳影響主要體現(xiàn)為隨著微波功率増大,活性炭最終能達到的到Ω4℃沸騰。由乙醇一水溶液的沸點組成圖可以得岀,乙醇在溫度增高,增加功率可縮短加熱時間,加快升溫速率。從試驗所液相中的含量等于1%時,乙醇溶液的沸點為93.10C,所以所使用的2種功率來看,當微波功率為350W時,活性炭溫度最測的2種濃度的乙醇溶液的沸點與純水的沸點基本一致。多只能升高到680C;當微波功率為700W時,活性炭最高溫度可以達到1050C微波功率與活性炭最高溫度的關系見圖5。微波功率與活性炭最高溫度呈線性關系,由此可見在這樣的溫度條件下,再生過程中如果要改變活性炭能達到的最高溫度可以通過調節(jié)微波功率來實現(xiàn);改變微波功率可以改變活性炭的升溫速率-無水乙醉一一乙醇:1580mg/L200乙醇:158mg/L000一純水Radiation time/s600圖3乙醇濃度對乙醇升溫的影響Fig. 3 Influence of alcohol concentration on temperature根據(jù)純乙醇和純水在10132.5Pa下的沸點分別為78.3C和100C,而昆明所處的當?shù)卮髿鈮簭姙?079.3Pa,可以算出純乙醇和純水的沸點分別為73C和94C,這與所測得的Microwave power P/w圖5微波功率對活性炭最高溫度關系乙醇和水的沸騰溫度相吻合2.2活性炭在微波場中的升溫行為temperature of activated carbon將載乙醇的活性炭或新鮮活性炭放在微波爐中也能很快被加熱,但是由于本試驗主要研究活性炭對乙醇的吸附及其在場中的解吸行為,因此,研究活性炭在微波場中的升溫行的熱交換達到平衡來解釋。設一定質量的活性炭放在反應器為對于探討整個再生機理具有重要的意義。影響活性炭在微波中,其體積和表面積分別為V和A;如加熱時不通氮氣,假設反場中升溫行為的主要因素是微波功率、活性炭量、載氣線速等·應器周圍環(huán)境溫度始終維持T。不變;活性炭層均勻吸收微波。所以本研究首先考察上述3因素對活性炭升溫行為的影響,然試驗結果顯示,一定量活性炭在指定功率的微波場中,經過·后在此基礎上從定量的角度來描述活性炭在微波場中的升溫行為。段時間后溫度都會趨向某一固定溫度,可維持恒溫,說明活性2.2.1微波功率對活性炭升溫的影響炭在微波場中升溫并不存在溫度“失控效應”,即活性炭的損耗因子不會隨溫度的升高而增大,活性炭的各種性質參數(shù)與微波為考察微波場功率對活性炭升溫行為的影響取5g活性場的存在與否關系不大,故假設活性炭的介質常數(shù)c和介質的炭置于反應器中,在不通氮氣的條件下,分別調節(jié)微波功率至350W和700W,通過熱電偶測溫系統(tǒng)讀取各時刻的溫度,溫損耗系數(shù)tgδ不隨溫度的變化而變化,那么活性炭吸收的微波功率P應為4度隨時間的變化情況如圖4所示。P=(1/1.8)fE2 E, got10-12式中P為活性炭吸收的微波功率,W:∫為微波的頻率,Hz;E為電場強度,V/cm;tgδ為介質的損耗系數(shù);ε為活性炭的介質常數(shù);V為活性炭的體積反應器向周圍環(huán)境的傳熱方程可表示為功率:100中=KH·A·(T-T)一功率:350W式中φ為活性炭向周圍環(huán)境的傳熱速率,W;KH為總傳熱系數(shù),W/(cm2·K);A為活性炭層的表面積,cm2;為活性炭的功率;700W溫度,K;T。為反應器周圍溫度,K。這樣當活性炭層吸收的能量和環(huán)境的能量交換達到平衡100時,應滿足圖4微波功率對活性炭升溫的影響(3)第3卷第1期數(shù),故此時T也應為常數(shù),即能量交換達到平衡后,活性炭的在一定體積范圍內的,由于微波輸出功率一定,物料質量(體溫度應趨向于某一常數(shù)并保持不變,活性炭溫度不會產生¨失積)太大,單位質量(體積)物料吸收的微波能量必然減少,由此控”而無限升高。另外,當微波功率一定時,即式(4)式左邊值不也導致活性炭量過多時升溫速率和最高溫度降低變,那么右邊因KH、A、T。為與微波功率無關的常數(shù),則T為因此,欲加快活性炭的升溫速率,應當適當選擇活性炭量個與微波功率相關的值,而且微波功率越大,T值越大,即活但在實際操作中,活性炭量的選擇還應考慮淡酒液量、濃度及性炭的溫度越高。吸附劑的操作周期等因素2.2,2活性炭量對活性炭升溫的影響2.2.3載氣線速度對活性炭升溫的影響與其他加熱方式不同,試驗表明,活性炭在微波場中的升在再生過程中通載氣時,由于載氣溫度較已加熱的活性炭溫行為還與放入反應器的活性炭量有關。研究進行了如下的試低,故載氣從反應器通過時,必然會帶走部分熱量,這樣就導致驗來考察活性炭量對活性炭升溫過程的影響情況活性炭升溫情況不同。試驗固定微波加熱功率為350W,活性固定加熱的微波功率為350W,不通氮氣分別取不同質炭量為5g,然后改變氮氣線速度分別為0.2m/s、0.1m/s和量的活性炭于反應器中進行加熱,通過熱電偶測溫系統(tǒng),觀察0,測定3種情況下活性炭的升溫行為,實驗結果如圖8所示在不同活性炭質量時的升溫過程。不同質量活性炭的升溫曲線氮氣線速率與活性炭最高溫度的關系如圖9所示如圖6所示。活性炭量與活性炭最高溫度的關系如圖7所示。800600士△△-4300-13.1943g活性炭U-0一5.3361g活性炭一U=0.lm3.57148活性-U-0.2m080450200圖8氮氣線速度對活性炭升溫的影響圖6不同質量活性炭的升溫曲線Fig. 6 Curve of temperature on different massFig8 Influence of nitrogen liner speed on temperature400612Carbon mass/g00.050150.20.25圖7活性炭量與活性炭最高溫度的關系(時間為18s)Fig. 7 Relationship between activated carbon mass and圖9氮氣線諫度與活性炭最高溫度的關系(時間為180s)Fig9 Relationship between nitrogen liner speed andmaximal temperature of activated carbon從圖6和7可以看出,在活性炭量為0~5g內,隨著活性炭量的增加活性炭的升溫速率加快,能達到的溫度也更高;但由圖8和9可見,隨著氮氣線速度的增加,活性炭的升溫是當活性炭超過5g時升溫速率反而降低,能達到的溫度也明速率明顯變慢,所能達到的最高溫度降低,這是通入載氣后給顯低于活性炭量較小時。其原因為,由式(1)可知,微波對物料活性炭升溫帶來的直接影響,因而,從活性炭升溫的角度考慮,的加熱屬于體積加熱,體積越大,相同微波功率時物料吸收的再生過程中載氣的線速度越小,活性炭的升溫越快,否則,將會功率也越大本試驗使用的是同一種活性炭質量與體積成正便活性炭的升溫變慢,不利于乙醇再生,同時載氣流量過大將比所以活性炭質量越大吸收的功率也相應增大,但是,質量使出口乙醇濃度降低,不利于乙醇的后續(xù)處理。另外,由圖9還可以看出,活性炭的最高溫度與氮氣線速度近似呈線性關系2003年2月王寶慶,等:載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為研究43活性炭吸收的熱量是一定的,而隨著氮氣流量的增大,其在單3)微波功率越大,活性炭升溫越快,活性炭最高溫度更高位時間帶走的熱量也必然增多,這樣,活性炭的升溫速率將下4)在本文試驗條件下(350W,不通氮氣),活性炭少于5g降,達到熱交換平衡時活性炭層的溫度同樣下降。根據(jù)式(4),時溫度上升速率隨活性炭量的增加而加快,活性炭量多于5g當?shù)獨饬髁坎粸?,設氮氣進口溫度為T,氮氣流量為Q,氮時則相反。氣的比熱為CN,氮氣密度為pN,由氮氣帶走的熱量為 QNtPNCN5)氮氣線速增加,活性炭升溫速率下降,活性炭最高溫度(T-T),式(4)變成降低。(1/1.8) fEa.tov10-12=References(參考文獻):KHA(T-TO)+QNLPNCNO由式(5)可以看出,其他條件不變時,活性炭的最終溫度隨1] Qin Yaozong(秦耀宗). Alcohol Techniques(乙醇工藝學)[M]氮氣流量的增大而下降,這個結論與圖9的試驗結果吻合。Beijing: China Light Industry Pre2] Peng Jinhui(彭金輝). Manufacture of activated carbon with3結論radiation [J]. Chemistry and In在對載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為研究后可以得dustry of Forest Products(林產化學與工業(yè)),1997,17(2):80出如下結論。[3] Wu Zhengxian(吳正嫻).P' rinciple of Microwave(微波原理)1)水與乙醇在微波場中能吸收微波能,從而使其溫度升2)微波功率活性炭量氮氣線速是影響微波場中活性發(fā)[M. Wuhan: Wuhan University Press,1985高,微波功率越大,升溫速率越快[4] Qian Hongsen(錢鴻森). Technology and Application of Heatinghry Microwave radiation(微波加熱技術及應用)[M]. Harbin:升溫的主要因素。Heilongjiang Science and Technology Press. 1985TEMPERATURE RISING BEHAVIOR OF ALCOHOL-LOADEDACTIVATED CARBON BY MICROWAVE RADIATIONWANG Bao-qing, GE Ai-qun", ZHENG Xiao-min(1 Department of Environment Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710055, China2 Environmental Protection Agency of Luanxian in Hebei Province, Luanxian 063700, Hebei, ChinaAbstract: The present paper aims at testing the temperature rising behavior of alcohol-loaded activated carbon by microwave radiation. The experiments the paper has done include those with the temperature of water, the increase of alcohol and activated carbondue to microwave radiation, the influence of microwave power, the mass of activated carbon and the liner speed of nitrogen on thetemperature rise. The results of the above experiments show that water and alcohol can absorb microwave energy which may ac-count for the increase of their temperature. The stronger the microwave energy is, the more quickly the temperature increaseswhen water and alcohol are heated by microwave energy. And, in turn, with the increase of the microwave energy, the temperature with activated carbon will increase more obviously. That means the increase of the temperature of activated carbon is going onith the increase of the mass of activated carbon in case that the mass of activated carbon is less than 5 gram. However, when themass of activated carbon is larger than 5 gram the opposite will happen. That is to say, the temperature rate and the maximal temperature of activated carbon will decrease with the increase of the liner speed of nitrogenKey words microwave heating:activated carbon regeneration alcohoCLC number: X703. 1 Document code: AArticle ID):1009-6094(2003)01-0040-04(ournal of Safety and Environment 2003, Vol 3, No. 1)第八屆中國國際環(huán)保展覽暨會議( CIEPEO2003)主辦單位:國家環(huán)境保護總局承辦單位:中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會時間:2003年6月5-8日地點:中國國際展覽中心·北京聯(lián)系:010-68394581朱先生網(wǎng)址:www.chinaenvironment.com