沸石转轮技术综述 下载本文

废气,其主要应用于排放较稀薄且接近周界温度之污染物工业,典型应用如影印、涂装制程及半导体工厂等相关产业。

沸石吸附转轮组合(Cassette)为一中心轴承与轴承周围之支撑圆形框架支撑着转体,转体由沸石吸附介质与陶瓷纤维制成。转轮上包含用以分开处理废气及处理后释出干净气体之密封垫,其材质为需能承受VOCS腐蚀性及高操作温度之柔软材料制成(一般为硅)。密封垫将蜂巢状沸石吸附转轮组合隔离成基本之吸附区(Adsorptionzone)及再生脱附区(Regenerationzone;desorptionzone),但为提升转轮之吸附处理能力,则常见于前二区间加一隔离冷却区(CoolingzoneorPurgezone)。通常吸附区为较大,而脱附区及冷却区则为两个较小且面积相等之处理侧。有时为特殊需求亦可分成更多串联区;而吸附转轮由一组电动驱动设备用以旋转转轮,故转轮处理时为可变速、且可控制每小时旋转2至6转之能力。

工厂所排放出之VOCS废气进入系统后,第一阶段系经过疏水性沸石所组成之转轮,VOCS污染物质首先于转轮上进行吸附;第二阶段之脱附程序是由与后端焚化系统热交换后预热之经冷却区处理后废气(约180至250 ℃),使其通入转轮内利用高温将有机物脱附下来,此时出流污染物浓度大约可控制为入流废气之5至20倍左右,而脱附下来之有机物则可于第三阶段进行温度于700℃以上之焚化或进行冷凝回收再利用等程序,如此可以减少后续之废气处理单元尺寸、操作经费及设备初设费用。

沸石转轮之处理单元如下:

(1)沸石转轮的机体是由一些特定的固体基材涂布上一层吸附剂粉末组成,基材是以陶

瓷或玻璃或活性碳纤维经烧结所做成,其中陶瓷纤维因具备耐高温、热稳定性高、可水洗、不可燃及耐酸碱的特性而最受广泛使用,吸附剂的种类则视欲处理的气体成分而有所不同,一般可采用活性炭、沸石等。转轮厚度一般为25cm-45cm。

(2)沸石转轮之基质为陶瓷纤维表面涂布一层吸附剂,一般为活性炭或疏水性沸石,制成蜂巢状圆形转轮,再分为两个区域,分别为吸附处理区及再生脱附区,但为提升转轮之吸附能力,有时会设计于两区之间多一个冷却区,通常吸附区较大,脱附区与冷却区为两个较小且面积相等之处理区域。

使用沸石转轮反应器之规格资料

直径(mm) 高(mm) 主体密度(kg/m3) 区域比率(吸附/脱附/冷却) 孔道形状 每平方厘米微孔数 比表面积 吸附剂占基材比重(%) 吸附剂类型 吸附剂硅铝比 吸附剂孔隙(cm3/g) 320 400 250 10:1:1 蜂巢状 42 241 36.66 ZSM-5 166 0.321 (3)热回收设备:将VOCs燃烧或氧化后之干净空气其温度高达500-700℃,将此部分空气经由热交换器将热能加以回收,同时将干净空气温度降低后将其导至转轮脱附区为转轮进行脱附作用;若温度太高则转轮可能发生燃烧,因此进入转轮之温度不可太高,一般会设置两段热回收

设备并增设一鼓风机导入新鲜空气与燃烧后之空气混合,以控制脱附温度在180-220℃之范围内。为处理VOCs废气,除了沸石吸附浓缩转轮焚化系统外,并可在制程端如光阻涂布机台或去光阻制程废气出口端加装冷凝器,预先分流处理高沸点VOCs(如MEA、BDG、DMSO)。 四、沸石转轮制备工艺 4.1活性炭吸附剂简介

一般在选用活性炭时,除须考虑使用类别外,例如:气象或液相之应用,尚须针对处理对象之性质等作特性之考虑。一般而言,在气象应用中,活性炭洗脱附处理以较适合中等分子量中低沸点且疏水性(低极性)化合物,例如:碳氢化合物、醇类(甲醇例外)、有机氯化物、脂肪酸类、酚类、酮类、脂类等活性炭均有很强的吸附能力;但对于硫化氢、二氧化硫、氯、甲醛、氨基酸类等化合物活性炭之吸附能力很差,除非含浸酸或碱级金属盐加以改质,方可达到较好之效果。通常活性炭之参考规格有:比表面积、孔洞体积、四氯化碳吸附值、碘值、含水率等

(一)粒状活性炭

粒状活性炭依形状不同又可分为破碎状、圆柱状及球状等三种,一般来说其吸附能力较粉末活性炭小,但因颗粒尺寸较大较无压力下降之问题,而且具有可以再生的优势,所以一直是使用较为广泛的一种。

(二)纤维活性炭

纤维活性炭系利用酚系、丙烯氰系等原料合成,主要目的是揉和粉末活性炭高表面积、高吸附能力及压降小、可再生之优点,而且具有独

特的强度,通常其吸附能力也颇好。一般应用上有固定床式和转轮或转环式,一般来说纤维活性碳的填充重量只有粒状活性碳的1-10%左右,间接减少了碳床累积之着火之危险。

活性碳再生一般以水蒸气脱附再生,若吸附质为含氯VOCs时,采用水蒸气可能会发生水解反应,而使回收之含氯VOCs发生改变,影响脱附产物之纯度及再生活性碳之吸附效能。 4.2沸石吸附剂的优势

相较于传统活性炭吸附剂,疏水性沸石具有以下优点:(1)不具可燃性:沸石为无机化合物二氧化硅等所组成,故不会发生反应性吸附质于吸附过程中着火之事;(2)可处理不同种类的溶剂,包括高沸点物质;(3)有效吸附程度可在较宽长的吸附质进流浓度范围内达成;(4)不会引发溶剂聚合或反应:疏水性沸石含有之金属微量杂质相当少,不会使一些高反应溶剂发生氧化或聚合反应。

传统上沸石为一亲水性(hydrophilic)吸附剂,此主要是Si/Al比值通常为1-5;换言之,沸石的特性与其Si/Al比或SiO2/Al2O3比有重大关联性。沸石从亲水性转变为疏水性之Si/Al比值至少需8-10以上,所以含高硅含量之沸石疏水性愈高。 4.3中空状沸石制备方式

吸附剂之制备方式分为五大步骤:(1)沸石(zeolite)与粘合剂(binder)均匀混合;(2)胶化(gelling);(3)成型

(forming);(4)干燥(drying);(5)煅烧(calcine)。首先利用二氧化硅为粘合剂,将沸石与二氧化硅均匀混合,再慢慢加入调制好