段開嬌1,2*，彭金輝2，劉天成
1. 云南民族大學化學與環(huán)境學院2. 非常規(guī)冶金教育部重點實驗室
氮氧化物（NOx）主要來源于金屬冶煉廠、燃煤電廠、水泥廠以及生產和使用硝酸的工廠[1-4]，其排放嚴重危害人體健康和破壞生態(tài)環(huán)境：酸雨、霧霾、臭氧層空洞及光化學煙霧等[5-6]。工業(yè)化應用中主要采用選擇性催化還原法（selective catalytic deduction，SCR）[7-9]脫除NOx，但是這種方法存在成本高、液氨易腐蝕泄漏及催化劑的低溫活性差等缺點。
旋轉填充床（又稱超重力機，rotating packed bed，RPB）[10-11]作為一種傳質效果好、體積小、造價低的過程強化設備，已經被廣泛用在強化傳質和反應過程中。陳建峰等[12-14]利用臭氧氧化NO，采用RPB脫硝，以H2O2為吸收液獲得85%的脫硝率；劉有智等[15-17]研究了RPB中氣液傳質的原理并采用臭氧氧化NO，在RPB中以硝酸作吸收液，脫硝率達90%。針對低濃度的NOx廢氣，在RPB中同時完成氧化與吸收的研究報道較少。本課題組在前期研究的基礎上，利用RPB旨在解決低濃度NOx廢氣同時氧化與吸收的問題，為當前低濃度NOx廢氣的處理提供可能的解決辦法。
1 實驗部分
1.1 實驗試劑與設備
原料氣體：N2（99.99%）、O2(99. 999%)、NO（1%，其余為N2），昆明梅塞爾氣體產品有限公司生產。NaOH（分析純）、H2O2（分析純），國藥集團化學試劑公司生產。
儀器：D08-4F型質量流量控制器、D07型質量流量計，北京七星華創(chuàng)有限公司生產；WTS9106型全自動便攜式模擬廢氣分析儀，英國凱恩公司生產；旋轉填充床，云南民族大學自主研發(fā)；ICS-1500型離子色譜儀，美國戴安公司生產。
1.2 實驗方法及流程
如圖1所示，采用轉子內徑45 mm，外徑105 mm，高15 mm的逆流型旋轉填充床（RPB）。通過質量流量計精確控制各路氣體流量，在混合罐中配置成模擬工業(yè)廢氣，待氣體穩(wěn)定30 min后，混合氣體通入開啟的RPB。通過蠕動泵將循環(huán)吸收瓶中的吸收液泵入RPB中，在超重力環(huán)境下吸收液流經RPB填料形成液膜，混合氣體經過填料與吸收液逆流接觸和反應，反應后的吸收液從RPB液體出口進入循環(huán)吸收瓶，氣體由氣體出口排出。每隔30 min在RPB的氣體進口處和氣體出口處取樣，每次取3個平行樣品檢測，取其結果平均值。
2 結果與討論
2.1 旋轉填充床轉速對脫硝率的影響
模擬廢氣氣體流量為0.3 L·min-1，各氣體組成為0.1% NO，5% O2，其余為載氣N2。氣液比為10:1，分別以去離子水（H2O）、0.2 mol·L H2O2溶液、0.04 mol·L-1 NaOH溶液為單組份吸收液，以0.04 mol·L-1NaOH和0.2 mol·L-1 H2O2溶液為復合吸收液，脫硝率隨旋轉填充床轉速的變化，如圖2所示。
由圖2可知，改變旋轉床的轉速，以去離子水為吸收液，脫硝率均保持在30%附近；分別以0.04 mol·L-1 NaOH為堿性吸收液和以0.2 mol·L-1 H2O2為氧化吸收液，當轉速提高至500 r·min-1后，脫硝率分別保持在45%和50%左右。而對于0.04 mol·L-1 NaOH+0.2 mol·L-1 H2O2復合吸收液，增大旋轉床轉速，脫硝率逐漸提高，當轉速達到1 000 r·min-1時，脫硝率達到92%并逐漸趨于平穩(wěn)。相比于單組分吸收液，轉速對復合吸收液的脫硝率影響更大，原因可能是去離子水和堿液只能吸收NOx中極少部分的NO2，占比最大的NO由于未被氧化所以直接排出旋轉填充床，盡管提高轉速能大大增加絲網填料對吸收液的切割力度，把吸收液切割成更小的液滴、液膜和液絲，加快表面更新速率，但是由于NOx的氧化度極低，液膜吸收為控制步驟，所以轉速的影響對脫硝率影響甚微。以H2O2為吸收液時，雖然提高了NOx的氧化度，但此時吸收液中主要發(fā)生如下反應：
吸收過程中會有1/3 以上的進口NO不能被吸收而逸出，表明NOx的液相脫除，氧化反應是關鍵。對于以氧化液和堿液混合的復合吸收液，提高轉速同時強化了氧化反應和吸收反應的傳質速率，增大了氣液兩相的傳質面積和表面更新速率，所以脫硝率逐漸增大。當轉速小于1 000 r·min-1，氣體和液體的停留時間比較長，能進行充分的吸收反應。但是當轉速超過1 000 r·min-1之后，由于轉子的轉速越高，氣體和液體的停留時間明顯變短，部分液體還沒有來得及與氣體充分接觸就被甩出填料層，導致脫硝率逐漸下降，說明停留時間已經成為反應的制約因素。
2.2 氣液比對脫硝率的影響
RPB轉速為1 000 r·min-1，吸收液分別為0.04 mol·L-1 NaOH+0.05 mol·L-1 H2O2、0.04 mol·L-1NaOH+0.1 mol·L-1 H2O2和0.04 mol·L-1的NaOH+0.2 mol·L-1 H2O2復合吸收液，其余實驗參數同2.1。脫硝率隨氣液比的變化，如圖3所示。
由圖3可知，隨著H2O2濃度的增加，脫硝率明顯提高，表明提高NOx的氧化度能有效提高脫硝率。對于這三種吸收液，隨著氣液比的增大，脫硝率均逐漸降低。實驗中采用保持進氣量不變，降低吸收液泵入量的方式提高氣液比，則填料的潤濕程度降低，填料床內的有效傳質面積減小，在傳質推動力不變時，傳質系數下降，脫硝率降低。若實驗保持吸收液泵入量不變，通過提高進氣量來提高氣液比，在有效的填料潤濕度條件下，氣液兩相的接觸時間變短，還未充分反應就被甩出填料，也會導致脫硝率降低。因此，降低氣液比有利于脫硝率的提高，但實際應用中氣液比降低會提高操作費用，因此在兼顧環(huán)保性和經濟性的前提下，實驗確定的合適氣液比值為10:1。
2.3 吸收液類型及其濃度對脫硝率的影響
2.3.1 H2O2濃度對復合吸收液脫硝率的影響
