CN115165707A

CN115165707A - 一种吸附材料吸附饱和度的检测方法和系统

Info

Publication number: CN115165707A
Application number: CN202210965997.9A
Authority: CN
Inventors: 李瑞琪; 康奕菁; 陈捷; 王照宜; 刘方照; 李冠达
Original assignee: Guangzhou Pujing Ecological Protection Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Pujing Ecological Protection Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2042-08-12
Also published as: CN115165707B

Abstract

本发明涉及一种吸附材料吸附饱和度的检测方法和系统，通过检测该系统进口浓度、出口浓度和气体流速，即可检测出吸附材料的吸附饱和度，相对现有技术，该方法和系统可减小检测误差，缩短检测时间。

Description

一种吸附材料吸附饱和度的检测方法和系统

技术领域

本发明涉及环境监测领域，尤其是一种吸附材料吸附饱和度的检测方法和系统。

背景技术

吸附材料因其丰富的多孔结构而具备吸附气体分子的能力，目前正广泛应用于气态污染物的处理，如大多数工业企业的VOCs处理设施会安装活性炭吸附装置。然而，任何吸附材料都有吸附极限，吸附平衡关系决定了吸附过程的快慢和极限。如果吸附材料达到吸附饱和，则不再吸附污染物，也就失去了削减污染物的能力，废气治理设施的处理效率则会降低，甚至导致污染物超标排放。因此为保证污染物达标排放，需要定期检测吸附材料的吸附饱和度，指导吸附材料的更换频次，使得废气治理设施处理能力稳定。

目前市面上已经出现很多吸附饱和度检测装置用于检测材料的吸附饱和度，但市面上的吸附饱和度检测装置有如下不足：

1、部分检测装置通过进口和出口浓度/压力的比值进行饱和度检测，但该方式仅能判断待测吸附材料是否已经吸附饱和，并不能得出待测材料具体的吸附饱和度数据。

2、部分吸附饱和度检测装置需要取待测活性炭进行吸附试验，同时取全新活性炭作为对照，试验时，需持续检测进口出口浓度，直至出口浓度达到最大值且稳定不再上升，即判定活性炭达到吸附饱和状态。再结合风速、吸附饱和所需时间计算待测活性炭及对照活性炭的污染物吸附量，二者的比值即为待测活性炭的饱和度(％)。该方法需多次收集数据，检测试验历时较长，且系统误差容易累积，最终造成较大误差。

如何缩短吸附饱和度检测时间，提高检测精度，是本领域一直难以突破的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种精度更高的吸附材料吸附饱和度检测方法和系统，基于吸附动力学模型，发掘吸附饱和度与气体污染物浓度之间的内在关系，以其作为吸附饱和度检测设备的内嵌算法，应用于吸附材料的吸附饱和度检测分析模块中。采用本发明的内嵌算法，检测装置只需要采集进口气体污染物浓度、出口气体污染物浓度和风速参数，即可快速、精确地得出吸附材料的吸附饱和度。

本发明的技术方案具体如下：

一种吸附材料吸附饱和度的检测方法，包括如下步骤：

(1)将待测吸附材料置于检测通道的进口和出口之间，通入污染物浓度恒定、流速稳定的废气，采集下列参数：

①进口气体污染物浓度C₀、气体风速v；

②出口气体污染物浓度C_m；

(2)取出待测吸附材料；

(3)将同批次未使用过的全新吸附材料作为对照吸附材料，置于检测通道的进口和出口之间，通入污染物浓度恒定、流速稳定的废气，采集对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度C_M；

(4)按以下公式计算吸附材料饱和度：

对于符合准一级动力学模型的吸附材料，吸附材料吸附饱和度按下式计算：

对于符合准二级动力学模型的吸附材料，吸附材料吸附饱和度按下式计算：

其中：

α-待测吸附材料的吸附饱和度，单位％；

C₀-进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m-待测吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_M-对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度C_M，单位mg/m³；

v-气体风速，单位m/s，气体风速在测试阶段应保持稳定；

s-检测通道横截面积，单位m²。

作为一种优选，吸附材料包括活性炭、沸石、生物炭。

作为一种优选，通过设于进口和出口的传感器检测气体污染物的浓度，通过设于进口的传感器检测风速，通过处理器采集传感器信息并计算吸附材料的吸附饱和度。

作为一种优选，根据计算得出的吸附材料吸附饱和度结果进行显示。

另一方面，本发明还涉及一种吸附材料吸附饱和度的检测系统，包括设于检测通道中的出口和进口，吸附材料设于出口和进口之间，含有污染物的气体从通道进口进入，经过吸附材料后，从通道出口排出；

出口和进口上设有传感器，相应的传感器采集下列参数：

进口气体污染物浓度C₀、气体风速v；

出口气体污染物浓度C_m；

对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度C_M；

处理器按以下公式计算吸附材料的吸附饱和度：

对于符合准一级动力学模型的吸附材料，吸附材料的吸附饱和度按下式计算：

对于符合准二级动力学模型的吸附材料，吸附材料的吸附饱和度按下式计算：

其中：

α-待测吸附材料的吸附饱和度，单位％；

C₀-进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m-待测吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_M-对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

v-气体风速，单位m/s，气体风速在测试阶段应保持稳定；

s-检测通道横截面积，单位m²。

作为一种优选，系统还包括吸附饱和度指示模块，根据设定的饱和度显示区间进行吸附饱和程度指示。

作为一种优选，检测时，吸附材料置于吸附腔中。进口和出口与吸附腔有一定距离，传感器设于进口、出口、与吸附腔之间。

作为一种优选，吸附饱和度指示模块包括若干指示灯，指示灯发出第一颜色灯光或第二颜色灯光，且所述指示灯至少包括三格，根据计算的吸附饱和度结果，控制指示灯灯色和数量的发光。

作为一种优选，第一检测组件检测进口的VOCs浓度和风速、第二检测组件检测出口的VOCs浓度，第一检测组件为VOCs传感器和风速传感器、第二检测组件为VOCs传感器。

本发明中，准备待测吸附材料、对照吸附材料，通入污染物浓度恒定、流速稳定的废气，传感器采集进口气体污染物浓度、出口气体污染物浓度和风速等数据，数据实时传输至检测分析模块，通过内嵌算法自动计算待测吸附材料的吸附饱和度。

待测吸附材料的吸附饱和度，指该材料已经吸附该气体污染物的量与对照吸附材料饱和吸附量之比，即

α-待测吸附材料的吸附饱和度，单位％；

q-待测吸附材料已经吸附该气体污染物的量，单位mg/g；

m-待测吸附材料对该气体污染物的剩余吸附量，单位mg/g；

Q-对照吸附材料对该气体污染物的饱和吸附量，单位mg/g；

以下是吸附饱和度与吸附浓度的内在关系推导过程。

大部分吸附材料的吸附过程符合准一级动力学模型或准二级动力学模型。

准一级动力学模型：

ln(Q-q)＝ln Q-k₁t

准二级动力学模型：

对于符合准一级动力学模型的吸附材料，吸附饱和度与吸附浓度、风速存在以下等量关系：

对于符合准二级动力学模型的吸附材料，吸附饱和度与吸附浓度、风速存在以下等量关系：

α-待测吸附材料吸附饱和度，单位％；

m-待测吸附材料对该气体污染物的剩余吸附量，单位mg/g；

Q-对照吸附材料吸附该气体污染物时的饱和吸附量，单位mg/g；

C₀-进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m-待测吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_M-对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

v-气体风速，单位m/s，气体风速在测试阶段应保持稳定；

s-通道横截面积，单位m²。

具体推导如下：

(1)准一级吸附动力学模型公式如下：

ln(Q-q)＝ln Q-k₁t (1)

q——吸附材料t时刻对该气体污染物的吸附量，单位mg/g。

k₁——吸附速率常数。

Q——吸附材料的饱和吸附量，单位mg/g。

求(1)式q对t的倒数，得出：

则t＝0时，吸附材料吸附速率v₀＝1+Qk₁；

则

则

(2)准二级吸附动力学模型公式如下：

q——吸附材料t时刻对该气体污染物的吸附量，单位mg/g。

k₂——吸附速率常数。

Q——吸附材料的饱和吸附量，单位mg/g。

求(2)式q对t的倒数，得出：

v_t——t时刻吸附材料的吸附速率，单位mg/(m³·s)；

则t＝0时，吸附材料吸附速率v₀＝k₂Q²；

则

另，

其中

C′₀-0时刻由吸附材料吸附后的出口浓度，检测情境下是对照吸附材料吸附VOCs污染物后的出口气体污染物浓度，即C′₀＝C_M，单位mg/m³。

C_t-t时刻由吸附材料吸附后的出口浓度，检测情境下是待测吸附材料吸附污染物后的出口气体污染物浓度，即C_t＝C_m，v_t＝v_m，即

则吸附材料饱和度

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于吸附饱和度与吸附浓度的内在关系，通过对待测吸附材料与对照吸附材料进行检测，检测时采集进口和出口气体污染物浓度即可快速且精确得到待测吸附材料的吸附饱和度。

以吸附材料活性炭为例，现有技术一般需要取待测活性炭进行吸附试验，同时取全新活性炭作为对照，试验时，需持续检测进口出口浓度，直至出口浓度达到最大值且稳定不再上升，即判定活性炭达到吸附饱和状态。再结合风速、吸附饱和所需时间计算待测活性炭及对照活性炭的污染物吸附量，二者的比值即为待测活性炭的饱和度(％)。该方法需多次收集数据，检测试验历时较长，且系统误差容易累积，最终造成较大误差。

本发明只需取待测吸附材料和对照吸附材料进行一次检测，即可快速且精确得到待测吸附材料的吸附饱和度。

本发明的检测结果较精确，体现在如下几方面：

1.吸附饱和度检测过程中会有各种系统误差，与现有技术相比，本发明监测次数较少、需采集参数较少(吸附过程符合准一级动力学模型的吸附材料只需检测风速和进出口气体污染物浓度；吸附过程符合准二级动力学模型的吸附材料只需检测进出口气体污染物浓度)，因此系统误差较少。

2.现有技术检测试验历时较长，且系统误差容易累积，最终造成较大误差，本发明检测时间短，可大幅度降低检测误差。

附图说明

图1是具体实施例的一种检测装置的结构示意图；

图2是具体实施例的一种检测装置的系统框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

实施例1

如图1所示，本实施例中的吸附材料为活性炭，其对VOCs的吸附过程符合准一级动力学模型。

本实施例的装置包括进风口1、活性炭检测腔4、出风口7、通道、第一检测组件2、第二检测组件6、控制器、处理器、第一风道 3和/或第二风道5。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列 (Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

其中，进风口1、活性炭检测腔4和出风口7依次布置，通道用于连通进风口1、活性炭检测仓4和出风口7。

第一检测组件2用于检测废气进入活性炭检测腔4之前的情况；第二检测组件6用于检测废气从活性炭检测腔4出来后的情况；控制器用于控制第一检测组件2和第二检测组件6的运行状态；处理器接收第一检测组件2和第二检测组件6的信息，并通过设定计算公式分析计算，输出结果反馈至控制器。

第一风道3设置在进风口1与活性炭检测腔4之间；第二风道5 设置在出风口7与活性炭检测腔4之间。

如图2所示，从工业企业现场取小单元活性炭放置到活性炭检测腔4中，通过第一检测组件2检测进风口1的VOCs浓度和风速、第二检测组件6检测出风口7的VOCs浓度，第一风道3、第二风道5 的长度足以形成稳流，满足气体采样监测要求，降低数据误差；所得数据反馈至检测分析模块，通过设定计算公式分析计算，输出结果反馈至控制模块，通过控制吸附饱和度指示模块的指示灯发亮，显示出活性炭吸附饱和情况，具有结构简单、携带方便等优点。

在一些实施例中，本实施例的装置包括第一风道3和第二风道5，进风口1、第一检测组件2、第一风道3、活性炭检测腔4、第二风道 5、第二检测组件6和出风口7依次设置，具体的，该结构不限于立式或卧式。第一检测组件2用于检测从进风口1到第一风道3之间的区域，第二检测组件6用于检测从第二风道5到出风口7之间的区域，通过构造符合监测标准的风道，可以避免因气体紊流造成监测数据误差，并延长废气在检测装置内的停留时间，保证了传感器有足够的检测反应时间，使检测得到的数据更准确。优选的，第一检测组件2为VOCs传感器和风速传感器、第二检测组件6为VOCs传感器。

在一些实施例中，装置包括风机，风机用于使废气从进风口1进入，并依次流经第一检测组件2、第一风道3、活性炭检测腔4、第二风道5、第二检测组件6和出风口7。当从工业企业现场抽取小单元活性炭(分别为同批次未使用过的全新活性炭、活性炭箱中使用过的需要检测吸附饱和度的待测活性炭)先后放置到活性炭检测腔4中即可启动风机。本实施例中，风速检测装置可以是热敏式风速检测探头，设置在进风口处。

基于上述装置，本实施例的检测方法，包括如下步骤：

将需要检测吸附饱和度的待测活性炭设于活性炭检测仓4；采集下列参数：

使用待测活性炭吸附前的进口气体污染物浓度C₀、气体风速v；

使用待测活性炭吸附后的出口气体污染物浓度C_m；

将同批次未使用过的全新活性炭作为对照活性炭，设于活性炭检测仓4；采集下列参数：

使用对照活性炭吸附后的出口气体污染物浓度C_M；

按以下计算吸附材料饱和度：

对于活性炭吸附VOCs的过程，活性炭吸附饱和度：

其中：

α-待测活性炭吸附饱和度，单位％；

C₀-进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m-待测活性炭吸附后的出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_M-对照活性炭吸附后的出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

v-气体风速，单位m/s，气体风速在测试阶段应保持稳定；

s-通道横截面积，单位m²。

在本发明的一些实施例中，活性炭吸附饱和度检测结构配置有操作面板，操作面板用于显示预设数据，操作面板能够用于控制控制模块，从而可以控制风机的启停、第一检测组件2、第二检测组件 6的开关，还可以显示数据，如第一检测组件2、第二检测组件6的检测信息显示、活性炭更换的指示信息和吸附饱和度指示灯的信息等。进一步的，操作面板能够用于控制风机，以控制通道内的风速保持恒定。

在一些实施例中，活性炭吸附饱和度检测结构还包括指示灯，指示灯与控制器连接，控制器与处理器连接，处理器接收信息并通过设定计算公式分析计算，输出结果反馈至控制器；控制器根据预设数据，控制指示灯显示不同的预设信息。优选的实施例中，控制器能够控制指示灯发出第一颜色灯光或第二颜色灯光，且指示灯至少包括三格，控制模块控制指示灯发出第一颜色灯光时，基于不同区间范围内的预设数据，控制器控制一格或多格的指示灯发光。优选第一颜色灯光为绿灯，第二颜色灯光为红灯。

吸附饱和度α与活性炭当前吸附能力呈负相关关系，即吸附饱和度α越大，活性炭当前吸附能力越弱。因此，作为优选，可以设置一系列梯度值来判定待测活性炭当前的吸附能力，如设置α为20％，40％， 50％，80％，100％五个临界点。

当显示α≥100％时，说明待测活性炭当前已无吸附能力，需要更换，则控制第二颜色灯光亮，优选第二颜色灯光为红灯，指示灯显示5格红灯。

当显示80％≤α＜100％时，说明活性炭当前吸附能力弱，则控制第一颜色灯光亮，优选第一颜色灯光为绿灯，指示灯显示1格绿灯。

当显示60％≤α＜80％时，说明活性炭当前吸附能力较弱，则控制第一颜色灯光亮，优选第一颜色灯光为绿灯，指示灯显示2格绿灯。

当显示40％≤α＜60％时，说明活性炭当前吸附能力中等，则控制第一颜色灯光亮，优选第一颜色灯光为绿灯，指示灯显示3格绿灯。

当显示20％≤α＜40％明，说明活性炭当前吸附能力较强，则控制第一颜色灯光亮，优选第一颜色灯光为绿灯，指示灯显示4格绿灯；

当显示α＜20％时，说明活性炭当前吸附能力强；则控制第一颜色灯光亮，优选第一颜色灯光为绿灯，指示灯显示5格绿灯

在一些实施例中，活性炭检测腔4包括腔门和用于容纳活性炭的空腔，空腔上具有投入口，腔门可活动地设置在投入口，以通过腔门打开或关闭投入口，有效避免了系统漏风等外在因素的影响，通过抽取活性炭吸附废气治理装置中的小单元活性炭，判断活性炭的吸附饱和度，更有利于监管部门判断环保设备的运行状态和运行效果。

本实施例，检测活性炭吸附VOCs的吸附饱和度，吸附过程符合准一级动力学模型。

首先未使用过的全新活性炭(对照吸附材料)放入检测腔中，测得污染物出口浓度C_M＝3.0mg/m³。取出对照活性炭，将待测活性炭放入检测腔中，检测进口VOCs浓度和风速，测的进口浓度 C₀＝10.0mg/m³，风速h＝2.0m/s，检测舱横截面积s＝0.4m²，同时测得 VOCs出口浓度C_m＝6.0mg/m³；则经内部检测分析模块的计算，得出

α＝60.7％；α处于60％≤α＜80％范围内，吸附材料当前吸附能力较弱，则指示灯显示2格绿灯。

实施例2

本实施例中，吸附材料的装置结构与实施例1的装置结构相同。吸附材料为生物炭，其对VOCs的吸附过程符合准二级动力学吸附模型。

将需要检测吸附饱和度的待测生物炭放入检测腔4；采集如下参数：

使用待测性炭吸附前的进口气体污染物浓度C₀；

使用待测性炭吸附后的出口气体污染物浓度C_m；

将同批次未使用过的全新生物炭作为对照材料，放入生物炭检测腔4；采集如下参数：

使用对照生物炭吸附后的出口污染物浓度C_M；

按以下计算吸附材料饱和度：

对于生物炭吸附VOCs的过程，生物炭吸附饱和度：

α——待测生物炭吸附饱和度，单位％；

C₀——进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m——待测生物炭吸附后的出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_M——对照生物炭吸附后的出口气体污染物浓度，单位mg/m³。

本实施例检测生物炭吸附VOCs的吸附饱和度，该吸附过程符合准二级动力学模型。

首先将待测吸附材料放入检测腔中，检测进口和出口VOCs浓度， C₀＝15.0mg/m³，同时测出的C_m＝8.2mg/m³；再将待测材料取出，将同批次未使用过的全新的吸附材料放入检测腔中，测出C_M＝7.1mg/m³。

本实施例同样的设置一系列梯度值来判定待测活性炭当前的吸附能力，如设置α为20％，40％，50％，80％，100％五个临界点。

则经内部检测分析模块的计算，得出α＝7.22％；α处于α＜20％范围内，生物炭当前吸附能力强，指示灯显示5格绿灯。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种吸附材料吸附饱和度的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

①进口气体污染物浓度C₀、气体风速v；

②出口气体污染物浓度C_m：

(2)取出待测吸附材料；

(4)按以下公式计算吸附材料饱和度：

其中：

α-待测吸附材料的吸附饱和度，单位％；

C₀-进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m-待测吸附材料吸附后出口气休污染物浓度，单位mg/m³；

C_M-对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度C_M，单位mg/m³；

v-气体风速，单位m/s，气体风速在测试阶段应保持稳定；

s-检测通道横截面积，单位m²。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：吸附材料包括活性炭、沸石、生物炭。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过设于进口和出口的传感器检测气体污染物的浓度，通过设于进口的传感器检测风速，通过处理器采集传感器信息并计算吸附材料的吸附饱和度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据计算得出的吸附材料吸附饱和度结果进行显示。

5.一种吸附材料吸附饱和度的检测系统，其特征在于：包括设于检测通道中的出口和进口，吸附材料设于出口和进口之间，含有污染物的气体从通道进口进入，经过吸附材料后，从通道出口排出；

出口和进口上设有传感器，相应的传感器采集下列参数：

进口气体污染物浓度C₀、气体风速v；

出口气体污染物浓度C_m；

对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度C_M；

处理器按以下公式计算吸附材料的吸附饱和度：

其中：

α-待测吸附材料的吸附饱和度，单位％；

C₀-进口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_m-待测吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

C_M-对照吸附材料吸附后出口气体污染物浓度，单位mg/m³；

v-气体风速，单位m/s，气体风速在测试阶段应保持稳定；

s-检测通道横截面积，单位m²。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：系统还包括吸附饱和度指示模块，根据设定的饱和度显示区间进行吸附饱和程度指示。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：检测时，吸附材料置于吸附腔中；进口和出口与吸附腔有一定距离，传感器设于进口、出口、与吸附腔之间。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：吸附饱和度指示模块包括若干指示灯，指示灯发出第一颜色灯光或第二颜色灯光，且所述指示灯至少包括三格，根据计算的吸附饱和度结果，控制指示灯灯色和数量的发光。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：第一检测组件检测进口的VOC_s浓度和风速、第二检测组件检测出口的VOCs浓度，第一检测组件为VOCs传感器和风速传感器、第二检测组件为VOCs传感器。