第3卷第1期Vol 3. No. 12003年2月Journal of Safety and EnvironmentFeb,2003文章編號(hào):1009-6094(2003)01-0040-0載乙醇活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為研究王寶慶1,葛嬡群2,鄭曉明(1西安建筑科技大學(xué)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(chǎng)中的升溫行為。主要包括水和乙醇在微波場(chǎng)中的升溫情況,以及微波功率、活性炭量、氮?dú)饩€速對(duì)活性炭升溫行為的影。結(jié)果表明,水與乙醇在微波場(chǎng)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,活性炭最髙溫度也更高?；钚蕴可儆?g時(shí)溫度上升速率隨活性炭量的増加而加快,活性炭量多于5g時(shí)則相反。氮?dú)饩€速增加.活性炭升溫速率下降,活性炭最高溫度降低關(guān)鍵詞:微波加熱;活性炭再生;乙醇中圖分類(lèi)號(hào):X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A醇能吸收微波能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?而且微波功率不同,溫度0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(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的淡酒液,主要含有乙醇(5%W時(shí),只需10s就上升到73C沸騰,而功率為100W時(shí),則需8%)及少量酯類(lèi)和酸類(lèi)物質(zhì)。目前對(duì)此類(lèi)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(lèi)淡酒液回收山。傳統(tǒng)變溫解吸可通過(guò)間接加熱吸附劑或直接與熱氣體接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)活性炭,傳統(tǒng)變溫解吸法需加熱的時(shí)間很長(zhǎng)并且能量消耗大?？傊?吸附法的經(jīng)濟(jì)性主要取決于吸附劑的再生熱再生方法可以通過(guò)引入微波能加熱被解吸的物質(zhì)得到改進(jìn),與傳統(tǒng)的熱再生方法相比,微波加熱有以下優(yōu)點(diǎn)2,3:1)olla熱量的引入通過(guò)電磁能的傳輸直接進(jìn)入吸附劑內(nèi)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(zhì)的電子損失更高,因此能實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附質(zhì)1—微波爐(2450MHz);2一石英玻璃管反應(yīng)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(shí)間由于微波能的利圖1再生與測(cè)溫部分裝置用可以成倍縮短。微波解吸的另一個(gè)特點(diǎn)是可以回收乙醇,且Fig. 1 Device of regeneration and measuring temperature無(wú)其他副產(chǎn)物。相對(duì)傳統(tǒng)的加熱方式,微波解吸再生吸附劑對(duì)于乙醇這類(lèi)極性物質(zhì)是一種經(jīng)濟(jì)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(shì)的再生手段1試驗(yàn)儀器與裝置EO1.1儀器一功率:1009wP700型微波爐,特制石英玻璃管,電光分析天平1.2試驗(yàn)裝置一與:350再生與測(cè)溫部分裝置如圖1所示功率:7002試驗(yàn)結(jié)果2.1水與乙醇在微波場(chǎng)中的升溫行為Radiation time s圖2微波功率對(duì)無(wú)水乙醇升溫的影響考察載乙醇活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為,主要考察無(wú)水乙醇和活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為,為后續(xù)試驗(yàn)作準(zhǔn)備。M凵中國(guó)煤化工 power on pure alcohol不同功率下無(wú)水乙醇在微波場(chǎng)中的升溫行為如圖2所示。CNMHG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(shí),純水和濃度不同于特制石英玻璃管里放在微波場(chǎng)中,乙醇溫度會(huì)上升,說(shuō)明乙的乙醇溶液在微波場(chǎng)中的升溫行為如圖3所示收稿日期:2002-07-30作者簡(jiǎn)介:王寶慶(1972—),男博土研究生,從事污染治理新工藝開(kāi)發(fā)和研究2003年2月王寶慶,等:載乙醇活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為研究從圖3可以看出,無(wú)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(shí)微波功率對(duì)活性炭的升溫行升到94℃沸騰、所測(cè)定的已知濃度的乙醇溶液溫度也是升為的影響主要體現(xiàn)為隨著微波功率增大,活性炭最終能達(dá)到的到Ω4℃沸騰。由乙醇一水溶液的沸點(diǎn)組成圖可以得岀,乙醇在溫度增高,增加功率可縮短加熱時(shí)間,加快升溫速率。從試驗(yàn)所液相中的含量等于1%時(shí),乙醇溶液的沸點(diǎn)為93.10C,所以所使用的2種功率來(lái)看,當(dāng)微波功率為350W時(shí),活性炭溫度最測(cè)的2種濃度的乙醇溶液的沸點(diǎn)與純水的沸點(diǎn)基本一致。多只能升高到680C;當(dāng)微波功率為700W時(shí),活性炭最高溫度可以達(dá)到1050C微波功率與活性炭最高溫度的關(guān)系見(jiàn)圖5。微波功率與性炭最高溫度呈線性關(guān)系,由此可見(jiàn)在這樣的溫度條件下,再生過(guò)程中如果要改變活性炭能達(dá)到的最高溫度可以通過(guò)調(diào)節(jié)微波功率來(lái)實(shí)現(xiàn);改變微波功率可以改變活性炭的升溫速率?！鸁o(wú)水L酚一乙醇:1580mg/L1200乙醇:158mg/L1000一純水Radiation time600圖3乙醇濃度對(duì)乙醇升溫的影響Fig 3 Influence of alcohol concentration on temperature400根據(jù)純乙醇和純水在10132.5Pa下的沸點(diǎn)分別為78.3C和100C,而昆明所處的當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為8079.3Pa,可以20040U600800算岀純乙醇和純水的沸點(diǎn)分別為73C和94C,這與所測(cè)得的rowave power P/w圖5微波功率對(duì)活性炭最高溫度關(guān)系乙醇和水的沸騰溫度相吻合2.2活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為Fig 5 Influence of microwave power on maximaltemperature 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(yàn)主要研究活性炭對(duì)乙醇的吸附及其在以上現(xiàn)象可以從活性炭吸收微波能之后和周?chē)h(huán)境之間微波場(chǎng)中的解吸行為,因此,研究活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行的熱交換達(dá)到平衡來(lái)解釋。設(shè)一定質(zhì)量的活性炭放在反應(yīng)器為對(duì)于探討整個(gè)再生機(jī)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(shí)不通氮?dú)?假設(shè)反場(chǎng)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(yīng)器周?chē)h(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(duì)活性炭升溫行為的影響,然試驗(yàn)結(jié)果顯示,一定量活性炭在指定功率的微波場(chǎng)中,經(jīng)過(guò)·后在此基礎(chǔ)上從定量的角度來(lái)描述活性炭在微波場(chǎng)中的升溫段時(shí)間后溫度都會(huì)趨向某一固定溫度,可維持恒溫,說(shuō)明活性行為。炭在微波場(chǎng)中升溫并不存在溫度“失控效應(yīng)”,即活性炭的損耗2.2.1微波功率對(duì)活性炭升溫的影響因子不會(huì)隨溫度的升高而增大,活性炭的各種性質(zhì)參數(shù)與微波為考察微波場(chǎng)功率對(duì)活性炭升溫行為的影響,取5g活性場(chǎng)的存在與否關(guān)系不大,故假設(shè)活性炭的介質(zhì)常數(shù)ε和介質(zhì)的炭置于反應(yīng)器中,在不通氮?dú)獾臈l件下,分別調(diào)節(jié)微波功率至損耗系數(shù)tgδ不隨溫度的變化而變化,那么活性炭吸收的微波50W和700W,通過(guò)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)讀取各時(shí)刻的溫度,溫功率P應(yīng)為度隨時(shí)間的變化情況如圖4所示式中P為活性炭吸收的微波功率,W;∫為微波的頻率,Hz;E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/cm;tgo為介質(zhì)的損耗系數(shù);,為活性炭的介質(zhì)常數(shù);V為活性炭的體積反應(yīng)器向周?chē)h(huán)境的傳熱方程可表示為功率一功率:350W式中Φ為活性炭向周?chē)h(huán)境的傳熱速率,W;KH為總傳熱系數(shù),Wcm2K)4為活性炭層的表面積,cm2;T為活性炭的一功率:700W溫度,中國(guó)煤化工CNMHG環(huán)境的能量交換達(dá)到平衡100Radiation time/s時(shí),應(yīng)滿足圖4微波功率對(duì)活性炭升溫的影響(3)Fig4 Influence of microwave power on temperatureof activated carbon(1/1.8) fEEtgol10-12=KHA(T-T。)(4)這時(shí)式(4)左邊各項(xiàng)均為常數(shù),而右邊KH、A、T。也為常第3卷第1期數(shù),故此時(shí)也應(yīng)為常數(shù),即能量交換達(dá)到平衡后,活性炭的在一定體積范圍內(nèi)的,由于微波輸出功率一定,物料質(zhì)量(體溫度應(yīng)趨向于某一常數(shù)并保持不變,活性炭溫度不會(huì)產(chǎn)生“失積)太大,單位質(zhì)量(體積)物料吸收的微波能量必然減少,由此控”而無(wú)限升高。另外,當(dāng)微波功率一定時(shí),即式(4)式左邊值不也導(dǎo)致活性炭量過(guò)多時(shí)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(wú)關(guān)的常數(shù),則T。為因此,欲加快活性炭的升溫速率,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選擇活性炭量一個(gè)與微波功率相關(guān)的值,而且微波功率越大,Tε值越大,即活但在實(shí)際操作中,活性炭量旳選擇還應(yīng)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(duì)活性炭升溫的影響2.2.3載氣線速度對(duì)活性炭升溫的影響與其他加熱方式不同,試驗(yàn)表明,活性炭在微波場(chǎng)中的升在再生過(guò)程中通載氣時(shí),由于載氣溫度較已加熱的活性炭溫行為還與放入反應(yīng)器的活性炭量有關(guān)。研究進(jìn)行了如下的試低,故載氣從反應(yīng)器通過(guò)時(shí),必然會(huì)帶走部分熱量,這樣就導(dǎo)致驗(yàn)來(lái)考察活性炭量對(duì)活性炭升溫過(guò)程的影響情況?；钚蕴可郎厍闆r不同。試驗(yàn)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?dú)?分別取不同質(zhì)炭量為5g,然后改變氮?dú)饩€速度分別為0.2m/s、0.1m/s和活性炭于反應(yīng)器中進(jìn)行加熱,通過(guò)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng),觀察,測(cè)定3種情況下活性炭的升溫行為,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示在不同活性炭質(zhì)量時(shí)的升溫過(guò)程。不同質(zhì)量活性炭的升溫曲線氮?dú)饩€速率與活性炭最高溫度的關(guān)系如圖9所示。如圖6所示?；钚蕴苛颗c活性炭最高溫度的關(guān)系如圖7所示80060013.1943g活性炭U=0.1m/s3.57148活性炭04080120160200100450200Radiation time/sRadiation time/s圖8氮?dú)饩€速度對(duì)活性炭升溫的影響6不同質(zhì)量活性炭的升溫曲線Fig8 Influence of nitrogen liner speed on temperatureFig 6 Curve of temperature on different massof activated carbon800400園26100Carbon mass/g00.050,10.圖7活性炭量與活性炭最高溫度的關(guān)系(時(shí)間為180s)ogen speed/(m-s)Fig. 7 Relationship between activated carbon mass and圖9氮?dú)饩€速度與活性炭最高溫度的關(guān)系(時(shí)間為180s)maximal temperature of activated carbon從圖6和7可以看出,在活性炭量為0~5g內(nèi),隨著活性的增加,活性炭的升溫速率加快,能達(dá)到的溫度也更高:但由圖8和9可見(jiàn),隨著氮?dú)饩€速度的增加,活性炭的升溫里數(shù)置開(kāi)理為面3用x用L中國(guó)化工從題角考出加熱屬于體積加熱,體積越大,相同微波功率時(shí)物料吸收的再生CNMHG性炭的升溫越快否則,將會(huì)功率也越大,本試驗(yàn)使用的是同一種活性炭,質(zhì)量與體積成正使活性灰的廾溫雯便,個(gè)利乙醇再生,同時(shí)載氣流量過(guò)大將比,所以活性炭質(zhì)量越大,吸收的功率也相應(yīng)增大,但是,質(zhì)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(體積)增大,活性炭與外界的接觸面積也加大,向環(huán)境的傳熱可以看出,活性炭的最高溫度與氮?dú)饩€速度近似呈線性關(guān)系速率增加,所吸收的微波功率用于活性炭升溫的能量減少即氮?dú)饩€速度越大,活性炭最高溫度越低。這個(gè)現(xiàn)象可以作如下解釋:在其他條件不變時(shí),單位時(shí)間外,根據(jù)能量守恒原理,物料體積與吸收功率的線性關(guān)系應(yīng)是2003年2月王寶慶,等:載乙醇活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為研究活性炭吸收的熱量是一定的,而隨著氮?dú)饬髁康脑龃?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(shí)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(yàn)條件下(350W,不通氮?dú)?,活性炭少于5g降達(dá)到熱交換平衡時(shí),活性炭層的溫度同樣下降。根據(jù)式(4),時(shí)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(dāng)?shù)獨(dú)饬髁坎粸?,設(shè)氮?dú)膺M(jìn)口溫度為T(mén),氮?dú)饬髁繛镼氮時(shí)則相反氣的比熱為CN,氮?dú)饷芏葹镹,由氮?dú)鈳ё叩臒崃繛?QNtPNCN5)氮?dú)饩€速增加,活性炭升溫速率下降,活性炭最高溫度(T-T0),式(4)變成降低。(1/1.8)fE2 Egov10-12=KH4(T-T)+Q、CN(T-T0)(5) References(參考文獻(xiàn)):由式(5)可以看出,其他條件不變時(shí),活性炭的最終溫度隨1] Qin Yaozong(秦耀宗). Alcohol Techniques(乙醇工藝學(xué))[M氮?dú)饬髁康脑龃蠖陆?這個(gè)結(jié)論與圖9的試驗(yàn)結(jié)果吻合。2] Peng Jinhui(彭金輝). Manufacture of activated carbon with3結(jié)論phosphoric acid by microwave radiation [J]. Chemistry and In-在對(duì)載乙醇活性炭在微波場(chǎng)中的升溫行為研究后可以得dustry of Forest Products(林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)),1997,17(2):80出如下結(jié)論。3] Wu Zhengxian(吳正嫻). Principle of microave(微波原理)1)水與乙醇在微波場(chǎng)中能吸收微波能,從而使其溫度升IM. Wuhan: Wuhan University Press, 1985高,微波功率越大,升溫速率越快。[4] Qian Hongsen(錢(qián)鴻森), Technology and Application of Heating2)微波功率、活性炭量、氨氣線速是影響微波場(chǎng)中活性炭hy Microwave radiation(微波加熱技術(shù)及應(yīng)用)[M]. Harbin溫的主要因素logy Press, 198TEMPERATURE RISING BEHAVIOR OF ALCOHOL-LOADEDACTIVATED CARBON BY MICROWAVE RADIATIONWANG Bao-qing, GE Ai-qun, ZHENG Xiao-m(1 Department of Environment Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710055, China;2 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 theof alcohol andd carbedue to microwave radiation, the influence of microwave power, the mass of activated carbon and the liner speed of nitrogen on theemperature rise. The results of the above experiments show that water and alcohol can absorb microwave energy which may account 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 onwith 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 tem-perature of activated carbon will decrease with the increase of the liner speed of nitrogen.rowave heating; activated carbon regeneration alcoholCLC number: X703. 1 DeArticle Il:1009-6094(2003)01-0040-04(Journal of Safety and Environment 2003, Vol 3, No. 1)第八屆中國(guó)國(guó)際環(huán)保展覽暨會(huì)議( CIEPEO2003)中國(guó)煤化工主辦單位:國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局承辦單位CNMHG時(shí)間:2003年6月5-8日地點(diǎn):中國(guó)國(guó)際展覽中心·北京聯(lián)系:010-68394581朱先生網(wǎng)址:www.chinaenvironment.com電子郵件:ciepec@163.net