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湿式洗涤液去除甲硫醇的比较分析
摘要：湿式洗涤被认为是去除疏水性有机臭气的有效方法，湿式洗涤的重点是选择合适的洗涤液。在本研究中，选择甲硫醇（CH3SH）作为代表性的疏水性有机臭气，使用几种类型的洗涤溶液分别对甲硫醇进行湿法洗涤处理：乙醇 (C2H5OH)、醋酸铅 (CH3COO)2Pb), 次氯酸钠 (NaClO) 和氢氧化钠 (NaOH)，对处理效率、运行成本和环境影响进行比较分析。技术和经济比较的结果表明，C2H5OH溶液是所测试的洗涤溶液中的最佳选择。该发现可作为工程设计和操作的参考，用于去除疏水性有机臭气。
关键词：乙醇；甲硫醇；洗涤塔
前言 污水处理厂（WWTP）产生的大量恶臭气体严重影响人类健康和生活质量，除臭须遵守日益严格的环境法规。除臭处理技术可分为干式和湿式工艺。吸附法 [1-3]、热氧化法[4]、等离子法[5,6]、光催化氧化（紫外线处理）[7,8]和微波技术[9]等干式除臭工艺并不适用于处理污水处理厂中产生的异味气体，由于气体中的含水量（水分）很高，这会严重降低处理效果。但湿式洗涤[10,11]和生物处理[12,13]等湿法工艺适用于处理污水处理厂中的湿的异味气体。
在污水处理厂中产生的气味的物质可分为无机气体（如硫化氢[H2S]和氨[NH3]）和有机气体（如甲硫醇[CH3SH]和二甲基硫醚[C2H6S]）。随着工业的发展，废水中有机物的浓度迅速增加。因此，污水处理厂的臭气中有机气体（如CH3SH和C2H6S）的含量逐渐增加。然而，在污水处理厂中除臭通常采用生物处理，H2S和NH3是去除的主要目标。 生物处理具有低运行成本和环境影响，从而使生物处理适合于处理可溶性气体。不幸的是，例如CH3SH 和 C2H6S的疏水性有机臭气，生物处理的去除效果最差。
目前，只有少数对有机气体降解的研究。污水处理厂产生的主要有机气体是CH3SH。CH3SH在常温下为无色气体，空气中的浓度通常较低; 虽然它有腐烂的卷心菜的气味，但CH3SH的嗅觉阈值极低，为0.002 ppm。 此外，CH3SH是一种疏水性气体，很容易被氧化成大气中难降解的甲硫醚，高浓度的CH3SH是具有毒性的。与其他脱硫技术相比，湿法洗涤由于其脱硫效率高，反应条件温和，空间要求小，被认为是一种有效的除臭工艺。此外，该方法适用于低浓度有机气体的处理[11],然而，该方法需要高投资和运营成本。
在本研究中，选择CH3SH作为代表性的疏水性有机气体，并且使用湿式洗涤工艺进行处理。在先前研究的基础上[15-17]，几种类型的洗涤溶液，例如由乙醇（C2H5OH）、醋酸铅（（CH3COO）2Pb）、次氯酸钠（NaClO）和氢氧化钠（NaOH）制成的， 被选择作为本研究的洗涤液。这些洗涤液通过不同的去除机制作用，例如物理吸附，化学沉淀，化学氧化和化学中和。通过技术和经济比较分析确定最好的洗涤液。本研究结果可作为工程设计和操作的参考，用于去除疏水性有机臭气。
材料与方法
实验装置
图一显示的是实验装置。在短暂的接触时间内使用逆流洗涤液除去恶臭气体中的CH3SH。洗涤塔的主体由聚（甲基丙烯酸甲酯）管制成， 洗涤
塔的总高度为2.3米，洗涤塔的填料层容积为0.1米（内径）times;0.8 m（填料层高度）。喷射装置安装在填料层上方，填料层上方预留空间的高度为0.5 m，在填料层下安装配气系统，填料层下方预留空间的高度为1.0 m。洗涤液收集管安装在洗涤塔底部上方0.05米处，收集的洗涤液流入喷射液罐，并通过水泵送回洗涤塔，以形成循环喷射系统。喷射液体罐的尺寸为：0.35米长times;0.17米宽times;0.33米高（有效水深）。在填料层的底部设置有穿孔板，然后，将多孔空气管放置在板下方0.1米处。采用陶瓷鲍尔环作为洗涤塔填料，该环具有高通量、低阻力、分离效率高、操作灵活等优点。每个环为25 mmtimes;5 mmtimes;3 mm（直径times;高度times;壁厚）,比表面积210平方米。
图一：实验洗涤塔及相关设备。1–CH3SH 供气钢瓶;2–鼓风机;3–进气取样口;4–气体分配装置;5–出口取样口;6–填充柱;7–水泵;8–喷射液罐;9–废气收集装置;10–喷射装置;11–穿孔板;12–液体流量计;13–洗涤液体排放口;14–铁支架;15–气体流量计。
使用减压阀将来自供气钢瓶的定量的CH3SH送至鼓风机入口，CH3SH与大量的空气混合，形成预设的臭气浓度。恶臭气体混合物通过配气装置进入塔内，从塔顶排出。从连接到水泵的喷射装置喷射洗涤液。在塔的进、排气管上设置了取样口，用于收集进、排气样品。表1列出了主要配套设备。
实验材料与分析方法
实验材料
NaClO (含10%的可用氯)、 NaOH (96%)、 (CH3COO)2Pb·3H2O (99.5%)和 C2H5OH (99.8%)都是从中国上海国药化学试剂有限公司购买，实验室实验中使用的所有化学品都是分析级试剂。甲硫醇（CH3SH（G））供气钢瓶购自中国广东金谷环保科技有限公司。
表一：主要相关设备的类型和参数
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序号 |
设备名称 |
数量 |
类型和基本参数 |
|
1 |
CH3SH 供气钢瓶 |
1 |
CH3SH与氮气的混合气体（CH3SH:3%） |
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2 |
空气采样器 |
1 |
QC-2A 型 |
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3 |
抗腐蚀式涡流泵 |
1 |
HG-1100 型, 气压17.6 千帕 功率 1100 w, 吹气率180m3/h |
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4 |
气体转子流量计 |
1 |
LZB-50 型 |
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5 |
气体转子流量计 |
1 |
LZB-3WB 型 |
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6 |
液体转子流量计 |
1 |
LZB-6 型 |
分析方法
采用氨基二甲基苯胺比色法测定了进、排气中CH3SH的浓度。检测限设为0.5 mg/15 ml。
实验步骤
每个循环实验都是按照以下步骤进行的。
预先设定好试剂与去离子水的质量比，在喷射液罐中制备洗涤液（20L/s）。然后，喷射泵以40L/h的流量（容积负荷为100L/（m3·h））输送洗涤液。运行鼓风机，臭气混合物的进气量控制在37m3/h（进气负荷为4700m3/（m2·h））。通过减压阀来控制CH3SH输送到鼓风机的进风口的体积，以形成预设的CH3SH臭气浓度。在稳定运行后的10-15分钟之间采用1L/min的频率对进、出口管道进行取样，对样品进行CH3SH浓度测定。通过对进口和出口气体浓度测量结果的比较，研究出不同洗涤液对CH3SH的去除效果。最后，在系统中的每个循环结束后，排放含有一定量CH3SH的废洗涤液。每个实验进行四次。
表2：洗涤液的制备
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序号 |
名称 |
制备浓度 (%) |
|
1 |
NaOH 溶液 |
10*, 15, 20, 30 |
|
2 |
(CH3COO)2Pb溶液 |
5、10、15、20 |
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3 |
NaClO溶液 |
0.68 (1:30**)、1 (1:20)、1.91 (1:10)、3.5 (1: 5) |
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4 |
C2H5OH 溶液 |
2.56 (1:30)、3.80 (1:20)、 7.32 (1:10)、13.63 (1: 5)、 44.11 (1:1) |
质量浓度：试剂/去离子水的体积比。
结果与讨论
NaOH溶液浓度对CH3SH去除的影响
图2体现了CH3SH平均去除量与NaOH溶液浓度之间的关系。NaOH溶液对CH3SH去除效果并不太好（图2），不同浓度NaOH溶液对CH3SH的去除率在10.00%~30.00%范围内，当NaOH溶液浓度为30%时去除率达到26.22%。
CH3SH是一种有气味的气体形式存在的疏水酸，酸性气体可以在碱性溶液中分解。因此，通过式（1）所描述的反应机理，用NaOH溶液处理CH3SH是可能的。
CH3SH NaOH = CH3SNa H2O （1）
图2：不同 NaOH 溶液浓度对CH3SH去除的影响
Panza和Belgiorno[18]在实验室规模的洗涤塔中研究了脱除硫化物的处理效率。当使用氢氧化钠（NaOH 2mol/L溶液）将洗涤液的pH值调整为11.5时，H2S在不同的进口浓度（1000、100和10ppm）下，去除率均超过85%。在我们的研究中，用氢氧化钠溶液去除CH3SH的量很小。此外，由于CH3SH在水中的电离度较低，在水中很难溶解，而CH3SNA在暴露于空气或酸性水溶液的环境中时很容易再次转化为CH3SH。
NaClO溶液浓度对CH3SH 去除的影响
图3说明了CH3SH平均去除量与NaClO溶液浓度之间的关系。随着NaClO溶液浓度的增加，CH3SH去除率逐渐增加（图3）。当NaClO溶液浓度为1.91%时，CH3SH去除率达到70.73%。当NaClO溶液浓度超过1.91%时，NaClO溶液浓度增加，引起CH3SH的去除率的增量最小。此外，如果将次氯酸钠溶液浓度提高到3.5%，将会产生明显的刺激性气味。
图3：不同浓度NaClO溶液对CH3SH去除的影响
NaClO溶液可以将CH3SH氧化成甲磺酸钠（CH3NaO3S）。式（2）和（3）描述了CH3SH与NaClO的反应机理。
CH3SH 3NaClO = CH3NaO3S 2NaCl HCl
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