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超重力氣提法處理丙烯腈廢水

文檔作者：薛翠芳劉有智焦緯洲文檔來源：中北大學(xué)山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心超重力化工過程山西省重點實驗室		更新日期： 2026年04月03日	點擊數(shù)：
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化 工 進 展
2014年第33卷第9期 CHEMICAL INDUSTRYAND ENGINEERING PROGRESS ·2501·
超重力氣提法處理丙烯腈廢水
薛翠芳 ，劉有智 ，焦緯洲
(-中北大學(xué)山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心， 山西太原030051； 超重力化工過程山西省重點實驗室
山西太原030051)
摘要：基于常溫下氣提法處理丙烯腈廢水去除率低的問題，提出了超重力強化氣提法處理丙烯腈廢水的研究思
路。實驗研究了超重力因子 、氣液比、丙烯腈模擬廢水初始濃度等因素對丙烯腈去除率的影響，確定了超重力
單級氣提適宜的操作條件，并就去除效果與傳統(tǒng)氣提法和攪拌法進行對比，著重考察了三級氣提后丙烯腈的去
除效果。結(jié)果表明：在常溫、常壓、超重力因子 為50．14、氣液比為1300的條件下，超重力單級氣提丙烯腈
廢水初始濃度為(3000~100)mg／L時，丙烯腈去除率為69．1％，相近條件下較傳統(tǒng)氣提法去除率提高了1．6倍，較
攪拌法去除率提高了12倍，三級氣提時丙烯腈去除率可達97．1％。超重力氣提法強化了氣液傳質(zhì)過程，實現(xiàn)了
廢水中丙烯腈的高效去除，具有較高的經(jīng)濟效益和良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：超重力； 氣提；廢水；純化；分離
中圖分類號：TQ 09 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1000—6613(2014)09—2501—05
DoI：10．3969~．issn．1000—6613．2014．09．045
Experimental study on treatment of acrylonitrile waste water by high
gravity air stripping technology
XUE Cuifang 2。LIU Youzhi ～，JIA0 Weizhou '
( Research Center of Shanxi Province for Hi【gh Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of
China，Taiyuan 030051， Shanxi，China； Shanxi Province Key Laboratory ofHigee—Oriented Chemical Engineering，
Taiyuan 030051， Shanxi，China)
Abstract： Aiming at lower removal rate of acrylonitrile in wastewater by air stripping at ambient
temperature，it was proposed that high gravity technology enhanced the air stripping process for
treatment of acrylonitrile wastewater．The effects of high gravity factor，gas—liquid ratio and initial
concentration of acrylonitrile wastewater on removal rate of acrylonitrile were studied and the high
gravity single—stage air stripping optimum operating conditions were determined．The removal rate was
compared with those of traditional air stripping and stirring methods．Three—stage air stripping removal
rate was investigated．Under the operational conditions： high gravity factor of 50， gas—liquid ratio of
1 300 at ambient temperature and pressure，initial concentration of acrylonitrile wastewater of(3000~
100)mg／L．the single-stage air stripping removal rate ofacrylonitrile was 69．1％，1．6 times and 12 times
higher compared with traditional air stripping and stiring methods respectively．Three—stage air
stripping removing rate of acrylonitrile was 97．1％ ．W ith good economic benefits and prospects，the
gas—liquid mass transfer process was enhanced and the target of efi cient removal of acrylonitrile in
waste water was achieved by high gravity air stripping technology．
收稿日期：2014．05．29；修改稿日期：2014—06-15。
基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目(21376229)。
第一作者：薛翠芳(1989一)，女，碩士研究生，研究內(nèi)容為超重力
技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用。聯(lián)系人：劉有智，教授，博士生導(dǎo)師，研
究內(nèi)容為超重力場中多相流傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)。E—mail lyzzhongxin
@126．corn。
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·2502· 化 工 進 展 2014年第33卷
Key words： high gravity； stripping； waste water； purification； separation
丙烯腈、腈綸和丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)
塑料的生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的高濃度含丙烯腈廢
水?，該廢水毒性高、處理難， 目前工業(yè)上使用最
廣泛的處理方法是焚燒法L2。J，撫順石化公司腈綸化
工廠、上海石化集團公司、中石化安慶分公司、吉
化集團等均采用此法。該法處理徹底，但消耗大量
輔助燃料油，存在二次污染的問題。加壓水解一生化
法[ 】和濕式氧化．生化法【5】由于能耗高、處理成本高
等問題，均未實現(xiàn)很好的工業(yè)化推廣應(yīng)用。因此探
索高效、實用的高濃度丙烯腈廢水處理方法成為了
國內(nèi)外學(xué)者亟待解決的難題。在眾多研究方法中，
氣提法較生物法【6J和化學(xué)氧化法[71工藝簡單，操作
方便，在回收廢水中的揮發(fā)性有機物方面有著無可
比擬的優(yōu)勢 。。?。
Raymond等【llJ采用活性污泥系統(tǒng)處理丙烯腈
廢水，研究了曝氣池中空氣氣提和生物降解對丙烯
腈去除率各自的貢獻值。結(jié)果表明，空氣氣提對廢
水中丙烯腈去除率的貢獻值為18％。Chang等 2J在
生物膜反應(yīng)器中定量地分析了氣提和生物降解各自
對ABS廢水中BOD去除率的貢獻。結(jié)果表明，空
氣氣提對廢水中BOD 去除率的貢獻值為2％～
10％。梅詩宇 ¨J采用壓縮空氣氣提冷凝水中的丙
烯腈，冷凝水溫度為80℃ 時丙烯腈去除率可達
100％；與復(fù)合塔板和固定閥塔板在相同操作條件相
比，采用圓筒型散裝填料丙烯腈去除率更高。由此
可知，高溫下氣提時丙烯腈去除率高，而在常溫下
丙烯腈去除率顯著降低。這是由于高溫下丙烯腈與
水共沸(共沸點71℃)，較易從液相轉(zhuǎn)移到氣相，
而常溫下丙烯腈極易溶于水(20℃時，丙烯腈在水
中的溶解度約為73000mg／L)，在普通的氣提設(shè)備如
曝氣池或填料塔中，氣液間的傳質(zhì)僅依靠重力作用
實現(xiàn)，氣液傳質(zhì)效率較低，因此若要在常溫下高效
去除廢水中的丙烯腈，必須強化氣液兩相間的傳質(zhì)
過程¨引。近年來，有學(xué)者利用超聲波技術(shù)強化氣提
過程，取得了較好的效果。陳儀取u 5J采用多孔篩板
和超聲波輔助氣提處理氰化物廢水，極大地改善了
氣提效率，縮短氣提時間。Jae．Ho等【l 6J將超聲波法
與氣提法結(jié)合處理芳香烴類物質(zhì)(苯系物和苯酚)，
處理30min后，苯系物和苯酚去除率可達80％以上。
超重力化工技術(shù)因其強化傳遞過程和微觀混合【J／J
的核心優(yōu)勢， 己涉及氣提[18-22】、吸收[23-25】、萃取、
精餾等諸多單元操作，在化工環(huán)保領(lǐng)域做出了杰出
的貢獻，有著廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。基于此，本文
提出利用超重力技術(shù)強化氣提法處理丙烯腈廢水過
程，將旋轉(zhuǎn)填料床代替?zhèn)鹘y(tǒng)的曝氣池或填料塔， 以
期提高常溫下廢水中丙烯腈的去除率，實現(xiàn)高效的
處理目標(biāo)，為工業(yè)化應(yīng)用提供必要參考。
1 實 驗
1．1 實驗裝置及流程
實驗所用氣提主體設(shè)備為逆流旋轉(zhuǎn)填料床，采
用散裝填料，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、外徑、高度分別為0．03m、
0．064m 、0．03m 。
超重力氣提法處理丙烯腈模擬廢水實驗流程如
圖1所示。在旋轉(zhuǎn)填料床進氣口通入由風(fēng)機鼓入的
空氣，在旋轉(zhuǎn)填料床進液口通入由水泵引入的丙烯
腈廢水，空氣與丙烯腈廢水在填料層實現(xiàn)逆流接觸。
氣提后的液體匯集至外殼，從出液口離開旋轉(zhuǎn)填料
床進入儲液槽。氣提后的廢氣經(jīng)堿液吸收后排入
空氣。
1．2 實驗方法
常溫、常壓時，在去離子水中溶解分析純丙烯
腈， 形成模擬丙烯腈廢水， 丙烯腈質(zhì)量濃度為
3000+100mg／L。
在常溫、常壓下，分別改變操作條件如超重力
因子 (35．56~67．22)、氣量G (10~25m ／h)、液
量L(10~50L／h)等和丙烯腈廢水初始濃度(2000~
4000mg／L)進行超重力氣提實驗，確定超重力單級
氣提適宜的操作條件，并與傳統(tǒng)氣提法和攪拌法進
行對比。
圖1 超重力氣提法處理丙烯腈廢水實驗流程
1一風(fēng)機：2，4一轉(zhuǎn)子流量計；3一逆流旋轉(zhuǎn)填料床；5一水泵
6一儲液槽；7一廢液槽；8一吸收液儲槽
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第9期 薛翠芳等：超重力氣提法處理丙烯腈廢水
為了進一步降低廢水中丙烯腈的濃度，對丙烯
腈廢水進行第二級超重力氣提與第三級超重力氣
提。實驗用水為前一級氣提后的含丙烯腈液體，實
驗流程、氣提設(shè)備和分析方法與超重力單級氣提實
驗相同，并著重考察丙烯腈廢水在超重力單級氣提
最適宜工藝條件下進行三級氣提后的效果。
1．3 分析方法
廢水中丙烯腈質(zhì)量濃度采用亞硫酸鈉法測定。
丙烯腈與亞硫酸鈉在水溶液中發(fā)生加成反應(yīng)，并生
成定量的氫氧化鈉，用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定，以茜素
黃一麝香草酚酞作指示劑，溶液滴定至由紫色變?yōu)闊o
色即為終點。反應(yīng)式如式(1)、式(2)。
H
H2c— cH---CN+Na2SO3+H20 — — H2 —c二一cN+NaOH
SO3Na
(1)
NaOH+HC1 NaCI+H20 (2)
丙烯腈質(zhì)量濃度見式(3)。
C：—(V：-V~)C
—
Ho x53
×1000 (3)
V
式中， 、 分別為樣品、空白溶液滴定所需
標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液的體積，mL；V為樣品體積，niL；
CHc1為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液物質(zhì)的量濃度，moVL；53為
丙烯腈相對分子質(zhì)量。
廢水中丙烯腈的去除效果用去除率刀來表征，
其計算公式為式(4)。
= 警圳。％ ㈩
式中，77為丙烯腈去除率，％；G 、C0m分別為
處理前、后廢水中丙烯腈質(zhì)量濃度，mg／L。
2 結(jié)果與討論
2．1 單級氣提實驗
2．1．1 超重力因子
在常溫、常壓、液量 為15L／h、氣量G為20m ／h
的操作條件下超重力單級氣提初始濃度為
(3000-J：100)mg／L丙烯腈廢水，考察超重力因子 對
丙烯腈去除率的影響，其實驗結(jié)果見圖2。
由圖2可知，廢水中丙烯腈的去除率隨著超重
力因子 的增大而呈上升趨勢。當(dāng)超重力因子 從
35．56增加到50．14時，丙烯腈去除率從61．1％增加
到66．7％，增幅為9．2％，上升速率較快；當(dāng)超重力
因子 大于5O．14時，丙烯腈去除率上升趨勢變緩，
超重力因子 對去除率的影響減弱。在旋轉(zhuǎn)填料床
中，液體邊界層受旋轉(zhuǎn)填料的作用持續(xù)更新，超重
力因子 的增加(轉(zhuǎn)速增加)，一方面增大了氣一液
界面更新速率，使氣液兩相實際接觸面積大大增加，
強化了空氣和丙烯腈廢水間傳質(zhì)過程；另一方面強
化了填料對液體的剪切作用，使液滴粒徑和厚度均
顯著減小，極大地縮短了氣相丙烯腈擴散距離，氣
相丙烯腈可以快速到達廢水表面外層。這兩方面綜
合作用使傳質(zhì)效率得到了較大的提高，從而極大地
提高了丙烯腈的去除率，且隨著超重力因子 的增
大而增大。超重力因子 繼續(xù)增加降低了液體在填
料層的停留時間，液體未與空氣充分接觸，氣液傳
質(zhì)效率變低，丙烯腈去除率上升趨勢變緩。另外，
超重力因子 越大，電機能耗也越大。因此，從丙
烯腈去除效果和成本考慮，在實驗范圍內(nèi)確定超重
力單級氣提較適宜的超重力因子 為50．14。
2．1．2 氣液比
在常溫、常壓、超重力因子 為5O．14、液量￡
為15L／h的操作條件下超重力單級氣提初始濃度為
(3000+100)mg／L丙烯腈廢水，考察氣液比對丙烯腈
去除率的影響，其實驗結(jié)果見圖3。
由圖3可知，隨著氣液比的增加，廢水中丙烯
＼ 、
褂
＼
斛
圖2 超重力因子 對丙烯腈去除率的影響
圖3 氣液比對丙烯腈去除率的影響
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·2504· 化 工 進 展 2014年第33卷
腈的去除率增加，增幅約為60．8％。丙烯腈溶于水
中形成模擬丙烯腈廢水時，液面上的壓力為空氣
(A)與丙烯腈(B)蒸氣壓之和， 尸A+尸R，加入
氣提介質(zhì)空氣時，增大了空氣壓力尸A，使得液面上
方丙烯腈分壓尸B減小， 由亨利定律 =ExB可知，
丙烯腈分壓尸B與丙烯腈在水中的濃度XB呈正比，
當(dāng)尸R減小時，XB隨之減小即丙烯腈在水中的濃度
降低。因此，在液量一定的條件下，氣液比增大使
得丙烯腈分壓 降低，氣相中丙烯腈濃度也隨之降
低，氣液間傳質(zhì)推動力得以提高，同時丙烯腈分壓
尸B降低也會使XB減小，從而使得丙烯腈在水中的
濃度越低，提高了丙烯腈的去除率；另外，較大的
氣液比會急劇加大氣相阻力，增大輸送氣體動力消
耗，增加運行成本，因此，綜合考慮丙烯腈去除效
果和動力消耗等方面，在實驗范圍內(nèi)確定超重力單
級氣提較適宜的氣液比為1300。
2．1．3 丙烯腈廢水初始濃度
在常溫、常壓、超重力因子 為50．14、氣液比
為1300的操作條件下超重力單級氣提丙烯腈廢水，
考察丙烯腈廢水初始濃度對丙烯腈去除率的影響，
其實驗結(jié)果見圖4。
由圖4可知，模擬廢水初始濃度為3000mg／L
左右時，丙烯腈去除率達到最高值69．1％，低于或
高于此濃度，丙烯腈去除率均有所下降。丙烯腈廢
水初始濃度升高會增大液相的傳質(zhì)推動力，使得丙
烯腈去除率增加，但在氣量、液量一定的條件下，
氣相中丙烯腈濃度己接近平衡，當(dāng)丙烯腈廢水初始
濃度繼續(xù)升高時，氣提后丙烯腈廢水的濃度變化很
小，因此丙烯腈去除率反而下降。初始濃度過高或
過低均不利于丙烯腈的去除。因此，在實驗范圍內(nèi)
超重力單級氣提適宜的丙烯腈廢水初始濃度為
(3000~100)mg／L。
＼ 、
斛
圖4 丙烯腈廢水初始濃度對丙烯腈去除率的影響
表1 不同方法單級氣提操作參數(shù)
＼
{；{卜
圖5 不同方法下丙烯腈去除效果對比
2．1．4 方法對比
根據(jù)表1所示的操作條件采用不同的方法(其
中， 為超重力氣提法， 為模擬傳統(tǒng)氣提法，C
為模擬攪拌法)。單級氣提不同濃度的丙烯腈廢水，
對比丙烯腈的去除效果，其實驗結(jié)果如圖5。
由圖5可知，對丙烯腈廢水施加以一定的擾動
作用(如攪拌作用)可以降低廢水中丙烯腈的濃度，
但效果不佳，丙烯腈去除率低于5％；傳統(tǒng)的氣提
法較攪拌法丙烯腈去除率有所提高，但丙烯腈去除
率僅為25％左右；而超重力氣提法顯著提高了丙烯
腈去除效果，丙烯腈去除率約為65％，較傳統(tǒng)氣提
法去除率提高了1．6倍，較攪拌法去除率提高了l2
倍。因此通過超重力氣提法極大地強化氣液傳質(zhì)，
丙烯腈去除率效果顯著提高。
2．2 多級氣提實驗
在常溫、常壓、超重力因子 為50．14、氣液比
為1 300的操作條件下，考察丙烯腈廢水進行二級、
三級氣提后的效果，其實驗結(jié)果見圖6。
由表6可知，丙烯腈去除率逐級增加。單級氣
提時丙烯腈去除率約為65％，二級氣提較單級氣提
丙烯腈去除率增幅約為35％，三級氣提較二級氣提
丙烯腈去除率增幅約為9％，較單級氣提丙烯腈去
除率增幅約為48％。總體來看，二級氣提較單級氣
提丙烯腈去除率增幅高于三級氣提較二級氣提丙烯
腈去除率增幅，這主要是由于經(jīng)過二級氣提后，廢
水中丙烯腈濃度(350mg／L左右)顯著降低，之前
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第9期 薛翠芳等：超重力氣提法處理丙烯腈廢水 ·2505·
初始濃度／mg·L
圖6 多級氣提實驗丙烯腈去除率對比 [1O]
探究得到的超重力氣提工藝條件處理較低濃度丙烯
腈廢水效果不佳。
3 結(jié)論
(1)超重力氣提法處理丙烯腈廢水單級氣提
較適宜的操作條件為：常溫，常壓，超重力因子
為50．14，氣液比為1300。
(2)在上述工藝條件下，超重力單級氣提的丙
烯腈廢水初始濃度為(3000+100)mg／L 時丙烯腈去
除率為69．1％，二級氣提時丙烯腈去除率為88．8％，
三級氣提時丙烯腈去除率為97．1％。
(3)采用超重力氣提法處理丙烯腈廢水是可
行的，該法極大地提高了常溫下廢水中丙烯腈的去
除率，在相近條件下較傳統(tǒng)氣提法去除率提高了1．6
倍，較攪拌法去除率提高了12倍。
(4)超重力氣提法極大強化了廢水與空氣的
氣液傳質(zhì)過程， 降低了氣相壓降，減少了氣相動力
能耗，使得廢水處理成本顯著降低，同時旋轉(zhuǎn)填料
床具有設(shè)備體積小、投資費用低、維修方便、填料
層不易堵塞等優(yōu)點，因此該法具有較高的經(jīng)濟效益
和良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
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