刘海弟，  李文辉，  李伟曼，  吴镇江，  陈运法

 （中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京100190）

 摘要：研究旋转填充床(rotating packed bed, RPB)去除模拟餐饮废气中油滴的效果，RPB中气液两相并流通过旋转床，摸索RPB转速、吸收液流速、吸收液组分对油滴去除效果的影响，研究发现：气液并流式RPB的气体压降不高，且随着RPB转速提高其气体压降不断降低；RPB对模拟餐饮废气中粒径为o．7um油滴的去除效率较高(接近80'YO)，吸收液流速提高和RPB转速提高都有利于模拟餐饮废气中油滴的吸收；此外，吸收液中添加适量表面活性剂也可明显提高RPB的油烟吸收效果，其原因很可能在于表面活性剂提高r吸收液和油滴的相溶性。由于RPB具有操作灵活、压降小、去除效率较高等显著优点，有望在餐饮废气的治理方面获得广泛应用。

 关键词：旋转填充床；油滴；餐饮废气；吸收

 随着当前我国大气灰霾污染溯源研究的进展，餐饮导致的油滴和VOCs排放逐渐为人们所了解和重视。许多中国特色的烹饪方式都能够对大气产生有机气溶胶的直接排放，这种排放多发生于人口稠密区域且排放时间非常集中，所以此类污染对局部的空气质量恶化具有一定的作用。目前，餐饮废气的净化和处理已经表现出显著的技术需求。餐饮废气巾含有大量油滴和VOCs，其中的油滴因为高温的氧化而具有很高的粘度，降温后很容易在吸附材料表面形成连续油膜，阻塞材料的过滤缝隙和吸附孔道，这导致过滤膜和活性炭等材料在餐饮废气的处理上效果不佳。此外，常见餐饮企业往往已经安设完毕抽风装置，因此可供废气处理模块使用的气体压降非常有限，模块的占地也往往不能保证，因此餐饮废气处理的模块需要兼具压降低、占地小和操作灵活的特点。电除尘技术由于气阻很小而被视为处理餐饮废气的重要技术，该技术在雾滴去除方面也取得了很好的应用效果，然而集尘极板累积油污后难以清理是一个重要的技术难题，另外，在设备内沉积的油膜有导通电晕极和集尘极而发生火灾的危险。

 旋转填充床(rotating packed bed，RPB)是一种能实现高效气液接触的新型装置，其原理是通过高速旋转的丝网或多孔床层完成气体和液体的充分接触，该技术已经在吸收、脱附和材料制备领域取得了广泛的应用和良好的效果。当RPB内的气液2项并流通过床层时，该设备的旋转反而会给气流提供正压头，导致转速越高、设备气流压降越小的现象，非常适合处理餐饮废气。此外，RPB具有操作灵活的特点，装置开停车方便，恰好符合餐饮企业间歇工作的实际情况。

 本研究使用自制的RPB装置，摸索了RPB转速、液体流速和吸收液成分等参数对模拟餐饮废气中油滴的吸收效果的影响，获得了较优的操作参数，有望对餐饮废气处理提供一种新型高效的技术选择。

1  实验部分

1.1  仪器、试剂和材料

V-3600型紫外可见分光光度计(日本岛津公司SHIMADZU)，TSI-3079型气溶胶发生器（美国TSI公司），Testo-510型压差仪（德国Testo公司）。1-苯基偶氮-2-萘酚（苏丹红1号）标准品（国药集团化学试剂有限公司）；正己烷、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和十二烷基硫酸钠(SDS)为分析纯（韦斯化学试剂公司）；大豆油为金龙鱼精炼一级大豆油(1.8 L包装)；RPB装置旋转床的结构如图1所示，其加液口在油烟吸收操作中需封堵。消泡剂选择德国毕克公司的BYK-19和BYK-12型消泡剂。

1.2  实验过程

1.2.1  旋转填充床压降研究

 将在旋转填充床气流进口和出口处设置三通，并将2个三通的支路通过软管与Testo-510压差计的两个检压口相连接。在吸收液槽中注入纯水，固定气流流量为2 m3/h，在不同旋转床转速和液体循环流量下检测体系的压降，得到旋转填充床在不同转速和液体流量条件下的压降结果。

1.2.2  旋转填充床对模拟油烟的吸收

将苏丹红1溶于大豆油中，两者质量比为134.2:1，将所得红色液体注入TSI-3079气溶胶发生器的持液瓶中，调节气溶胶发生器的流量为150 L/h，所产生的油雾气溶胶和压缩空气一起通人RPB的进气管中，实验中控制压缩空气流量为2 m3/h，由于TSI-3079所发生的气溶胶压力很低，难以克服后系统的气体阻力，因此将2 m'Yh的压缩空气通人玻璃水抽的进水口，而将其抽气口通过软管与TSI-3079的出气口相连，这样便可以通过压缩空气的气流负压将TSI-3079所发生的气溶胶抽入进气气流中(如图2(a)所示）。实验中RPB转速选择300、600、900和1 000r/min这4个水平，液相流量选择4、3、2和l L/min这4个水平。RPB下部的液槽内液体体积为3L，选择去离子水、0.2%(w)的CTAB溶液、0.2%(w)的SDS溶液为3种不同的吸收液，其中CTAB和SDS的溶液中需加入少量BYK-12和BYK-12消泡剂。从RPB流出的气体从下部通入一个直径10 cm的G3规格的玻璃砂芯漏斗，其上部覆盖3层活性炭纤维毡，并用皮筋束紧(如图2(b)所示）。实验结束后将砂芯漏斗取下，将活性炭纤维毡填塞于砂芯漏斗中，置于抽滤瓶上，并用1L正己烷充分洗涤，所收集的洗涤液在旋转蒸发仪上蒸发浓缩并定容于100 mL，利用紫外可见分光光度计检测该溶液在462 nm处的吸光度值，由于苏丹红1和大豆油具有固定的质量比，所以可以通过检测苏丹红1的浓度而间接计算出大豆油的浓度和大豆油量W3，详细测试方法可见文献[9]。每次实验中气溶胶发生器工作1h，所消耗的大豆油总质量由气溶胶发生器的持液瓶在实验前后的质量差获得(Wl)，同时要将水抽至RPB进口的气体管路的管壁用正己烷清洗一遍，所得的清洗液定容后同样利用紫外可见分光光度计检测该溶液在462 nm处的吸光度值，并获得其大豆油含量W2(该油量为粘附在RPB进口管壁上的油量，需从总耗油量中扣除)，整个装置的油烟去除效率可利用公式(Wl-W2-W3)/(Wl-W2)x100%获得。

2  结果和讨论

2.1  旋转填充床的压降研究

在使用纯水为循环液、固定气体流量为2 m3， h的条件下，研究了气液并流旋转填充床在不同转速和液体流量下的压降，其结果如图3所示。可知，在所有的旋转填充床转速下，床层的压降和循环液的流量关系不大，其主要原因在于液体和气体并流通过床层，液体的参与不会对气体流动发生拖曳和阻滞，因此在固定旋转填充床转速的情况下，在1~4 L/min的液体流量范围内，气体的压降几乎不变。在旋转床转速为零的情况下，床层气体压降为190 Pa左右，而随着旋转填充床转速的提高，床层的气体压降不断降低，当转速提高到900 r/min和1 000 r/min时，床层的气体压降分别降低至100 Pa和80 Pa左右，其原因在于当气体和液体采用并流的方式由内而外通过旋转填充床时，床层内丝网填料的旋转所产生的离心力为气体流出提供了动力，因此床层的压降随转速上升而不断减小。可知，并流式旋转填充床非常适合用来处理静压头很低的餐饮废气。

2.2  吸收液成份对吸收效果的影响

由于本吸收过程涉及到油滴在水溶液当中的分散，因此在吸收液中适当添加表面活性剂将有助于提高油滴的吸附效果。本实验中尝试了去离子水、0.2%(w) SDS水溶液和0.2%(w) CTAB水溶液这几种吸收液，实验过程中RPB转速控制在1 000 r/min，气体流量控制在2.15 m3/L，吸收液流量控制在3 L/min。研究结果如图4所示，可知表面活性剂的添加明显改善了油滴的吸收效果。这是因为当油滴和RPB中快速更新的液膜或液丝相接触时，吸收液中的表面活性剂显著降低了油滴和吸收液间的界面张力，使油滴迅速分散进入液相主体中而完成吸收，当使用纯水作为吸收液时，油滴与吸收液之间强烈的界面不相容性导致油滴很难分散入水相，即使进入水相也很可能是以微细油滴的形式存在，这种微细的油滴很可能会被RPB高速旋转的填料切削而雾化，重新进入气流中逃逸，因此，使用纯水作为吸收剂的效果低于使用表面活性剂溶液的情况。相比较而言，使用SDS这种阴离子表面活性剂和CTAB这种阳离子表面活性剂所获得的油滴吸收效果比较接近。但从实际操作考虑，CTAB是较好的选择，因为CTAB具有阳离子性的季铵头基，可以表现出显著的灭菌消毒的能力，这不但可以对废气进行一定程度的灭菌净化，而且可以保证吸收液在设备停机期间不会腐败变质。

2.3  RPB转速对吸收效果的影响

RPB的转速高低是体现其优异气液接触效果的关键所在，转速越低其气液接触效果将越接近传统的固定式填料塔，转速越高则越体现出其高效的气液接触效果，因此RPB的转速是其最关键的操作参数之一。本实验对RPB转速的研究结果如图5所示，实验中固定气体流速为2.15 m3/h，吸收液循环流速为311min，吸收液成分为0.2% (w) CTAB水溶液，从实验结果可知，当旋转填充床在低转速下操作时，油烟的吸附率较低，仅为48%左右，随着转速的不断提高，RPB对气体中油滴的吸收效果不断上升，但当转速提高至900 r/min时，油滴的吸收率提高至79.18%，转速提高至1 000 r/min时，油滴的吸收率为79.29%，吸收效率趋于平缓。由此可知在当前的操作条件下，RPB的适合转速为900—1 000 r/min，过高的转速会带来更大的能量消耗和设备磨损，当设备尺寸较大时，RPB的过高转速将对设备加工、动平衡等环节提出苛刻要求。因此RPB转速控制在900—1 000 r/min是比较合理的。此外，从实验结果还可看出，转速600 r/min和1900 r/min下的吸收效果相差很大，其原因很可能在于RPB的向心加速度和旋转角速度的平方成正比，因此两者间向心加速度差别较大，导致900 r/min转速下RPB中液膜厚度远远低于600 r／min时的液膜厚度，明显促进了传质的进行。同时，在更高转速下操作时（例如1 000 r／min），RPB容易将吸收液剧烈切削而产生较多雾滴，这些雾滴里面含有已经被吸收液捕捉的大豆油成分，其尺寸虽然远远大于经TSI一3079雾化的大豆油滴(0.7um)，但也能从RPB中随气流逸出，导致RPB装置的油烟吸收效果的损失，这可能是1 000 r／min转速下油烟吸收效果没有明显高于900min时效果的原因。

2.4  吸收液流量对吸收效果的影响

  吸收液的循环流量也是影响RPB除油滴性能的重要参数，在实际操作中，希望通过最低的吸收液流量来获得尽量高的油滴吸收效果。吸收液循环流量对油滴吸收效果的影响结果如图6所示，实验中固定RPB转速为1 000 r/min，吸收液为0.20/) (w)CTAB水溶液，气流流量为2.15 m3/h。由实验结果可知，吸收液循环流量增大有助于提高吸收效果，然而当流量增大至一定程度时，吸收效果将不再变化。因此当气体流量固定于2.15 m3/h时，吸收液循环流量控制在3L/min是比较合理的，该条件可以兼顾较好的吸收效果和较低的操作费用。提高RPB的液相往往能提高装置的气相组分的吸收效果，其原因有二：(1)更大的液相流量使单位时间内接触气相的液体增多，容易将过程向吸附更彻底的方向推进。(2)当液相流量增大时，RPB床层内有更多的液体被丝网填料切屑和撞击，产生更多的高速更新的液膜、液丝和液滴，这都对气相中雾滴的吸收有所促进。

 然而从实验结果还可看出，模拟油烟的吸收效果和RPB的内部空间有限，当液量增大到一定程度时，RPB内部高速更新的液体表面可能不会再因为液量的增加而增加，所以当液量提高到3 L/min时油烟的吸收效果不再有所提高。另外，如前所述，更大液量下，高速转动的RPB会从吸收液中切削出更多的雾滴，其中含有已经被吸收的大豆油成分，这些吸收液雾滴逃逸出RPB后被砂芯漏斗和活性炭毡所捕捉，一定程度上降低了实验测得的RPB油烟去除效率。

3  结论

 RPB具有明显的低压降的优点。在本研究所使用的实验装置中，RPB转速达到1 000 r/min时，其气体压降在80 Pa左右（气量2 m3/h）。利用RPB可以对含有模拟油烟的废气进行有效的处理。当旋转床转速提高至900—1 000 r/min时，油烟去除的效果较好；当吸收液流量为3 L/min时，油烟去除效果较好；当吸收液使用表面活性剂溶液时，其吸收效果好于使用纯水时的效果。对以上的实验现象进行解释的分析可知，采用RPB处理餐饮油烟具有一定的技术优势，有望在餐饮企业的废气治理方面获得实际应用。