TW202026057A

TW202026057A - 氣體淨化濃縮系統及濾材的再生方法

Info

Publication number: TW202026057A
Application number: TW108100654A
Authority: TW
Inventors: 黃建良
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2020-07-16
Also published as: TWI679058B

Abstract

本發明提供一種可濃縮含鹼性化合物廢氣之氣體淨化濃縮系統，包括：一酸洗塔；一再生淨化裝置，與該酸洗塔連接，其中該再生淨化裝置設置有一濾材，用以淨化廢氣中的鹼性化合物，並將鹼性化合物濃縮回用，且該濾材得以再生使用；以及一鹼洗塔，與該再生淨化裝置連接。本發明另提供一種濾材的再生方法。

Description

氣體淨化濃縮系統及濾材的再生方法

本發明係有關於一種氣體淨化系統，特別是有關於一種可淨化氣體中的鹼性化合物以及使濾材(吸附劑)再生的氣體淨化濃縮系統。

現行之廢氣處理系統中，焚化、洗滌或吸附皆可將低閾值惡臭物質去除。焚化技術主要是用於中、高濃度之有機物去除，較不適用於低閾值惡臭物質，如搭配濃縮系統雖可達到去除之目的，但不符合經濟效益。洗滌方式雖可降低廢氣中低閾值惡臭物質的濃度，但因氣、液分配及處理溫度的限制而無法完全去除。吸附系統對於低濃度汙染物具有絕佳的去除效果，但其有效吸附量會隨汙染物的濃度降低而降低。部分特殊結構之汙染物可以藉由改質吸附劑進行化學吸附，其吸附量受汙染物濃度影響較小，但改質吸附劑的價格較一般吸附劑為高，在耗材成本上的支出也會增加。故需以線上再生系統進行吸附劑(濾材)的再生，不僅可以減少購買耗材的費用，更可減少廢棄物的量，符合回收再利用的概念，是一項對環境友好的技術。

因此，開發一種可淨化氣體中的鹼性化合物(低閾值的惡臭物質)以及使濾材(吸附劑)再生的氣體淨化濃縮系統是眾所期待的。

根據本發明的一實施例，提供一種氣體淨化濃縮系統，包括：一酸洗塔；一再生淨化裝置(regeneration-purification device)，與該酸洗塔連接，其中該再生淨化裝置設置有一濾材，用以淨化廢氣中的鹼性化合物，且該濾材得以再生使用；以及一鹼洗塔，與該再生淨化裝置連接。

在部分實施例中，該酸洗塔的洗液包括硫酸。在部分實施例中，該鹼性化合物包括無機鹼或有機鹼。在部分實施例中，該鹼性化合物包括3-甲基吡啶。在部分實施例中，該鹼性化合物的濃度介於1-200ppm。在部分實施例中，該濾材包括多孔性吸附材。在部分實施例中，該濾材包括活性碳、氧化鋁、或沸石。在部分實施例中，該鹼洗塔的洗液包括氫氧化鈉。

根據本發明的一實施例，提供一種濾材的再生方法，包括：提供上述之氣體淨化濃縮系統，並對該再生淨化裝置中的該濾材進行一清洗步驟；以及以強酸對該濾材進行一含浸步驟。

在部分實施例中，該清洗步驟係以清水清洗該濾材。在部分實施例中，該清洗步驟包括單次清滌、多次清滌、或浸泡。在部分實施例中，該清洗步驟的操作時間介於20-60分鐘。在部分實施例中，本發明濾材的再生方法更包括於該清洗步驟後，回收自該再生淨化裝置所排出含該鹼性化合物的濃縮液。

在部分實施例中，該含浸步驟包括洗滌或浸泡。在部分實施例中，該含浸步驟的操作時間介於5-30分鐘。在部分實施例中，該強酸包括硫酸。在部分實施例中，該強酸的濃度介於1-3M。在部分實施例中，本發明濾材的再生方法更包括以重力、加壓、或加氣方式自該再生淨化裝置排出含該鹼性化合物與該強酸的濃縮液。在部分實施例中，本發明濾材的再生方法更包括回收自該再生淨化裝置所排出含該鹼性化合物與該強酸的濃縮液。

本發明可應用於淨化含鹼性化合物的廢氣並將鹼性化合物濃縮回用。更進一步可將使用過的濾材藉由簡易的線上再生程序及裝置達到重複使用之目的。藉由本發明的流程設計可免除氣體吹除的程序，此可避免因氣體吹除所造成的二次汙染以及因吹除(乾)程序而增加的排氣風量。本發明達到的功效如下：(1) 可簡化濾材再生處理步驟，無需進行吹除(乾)程序，有效降低操作成本及操作時間，(2) 可避免吹除(乾)過程所造成惡臭物質的逸出，以及(3) 可將低濃度有價鹼性化合物濃縮回用，達成循環經濟、綠色製程的目的。

請參閱第1圖，根據本發明的一實施例，提供氣體淨化濃縮系統(gas purification-concentration system) 10。第1圖為氣體淨化濃縮系統10的示意圖。

氣體淨化濃縮系統10包括酸洗塔12、再生淨化裝置(regeneration-purification device) 14、以及鹼洗塔16。再生淨化裝置14與酸洗塔12連接。鹼洗塔16與再生淨化裝置14連接。值得注意的是，再生淨化裝置14中設置有濾材18，用以淨化廢氣中的鹼性化合物，且濾材18得以再生使用。本實施方式之酸洗塔、鹼洗塔順序不能對調係因含酸、鹼性化合物之氣體需經過酸洗塔及再生淨化裝置後再進入鹼洗塔，若先經過鹼洗塔則有可能氣體攜帶含有鹼性化合物之進入再生淨化裝置，導致濾材18的效果降低。

在部分實施例中，酸洗塔12的洗液可包括各種強酸溶液，例如濃度35-38%的硫酸等。在部分實施例中，廢氣中的鹼性化合物可包括無機鹼或有機鹼，無機鹼可包括氨，有機鹼可包括胺類或含氮的雜環化合物。在部分實施例中，廢氣中的鹼性化合物可包括例如吡啶(pyridine)、咪唑(imidazole)、甲胺、苯並咪唑或上述的組合。在部分實施例中，廢氣中的鹼性化合物可包括例如3-甲基吡啶(3-picoline)或二甲胺(dimethylamine)。在部分實施例中，廢氣中的鹼性化合物的濃度大約介於1-200ppm。在部分實施例中，設置於再生淨化裝置14中的濾材18可包括多孔性吸附材，例如活性碳、氧化鋁、或沸石等。在部分實施例中，鹼洗塔16的洗液可包括各種強鹼溶液，例如氫氧化鈉等。在部分實施例中，濾材18的孔洞尺寸大約介於1~300埃(Å)。若濾材18的孔洞尺寸太小，則廢氣分子無法進入，無法吸附廢氣中的鹼性化合物。若濾材18的孔洞尺寸太大，廢氣分子容易穿過濾材18的孔洞，降低吸附效果。

請參閱第2圖，根據本發明的一實施例，提供濾材的再生(regeneration)方法100。第2圖為濾材的再生方法100的流程示意圖。

請同時參閱第1圖，首先，對設置於再生淨化裝置14中的濾材18進行清洗步驟102，將附著於濾材18表面的鹼性化合物清洗溶出。

在部分實施例中，在清洗步驟102中，以清水清洗濾材18。在部分實施例中，清洗步驟102可包括單次清滌、多次清滌、或浸泡等清洗方式。在部分實施例中，清洗濾材18的用水量大約為濾材18的體積的2-10倍。在部分實施例中，清洗濾材18的用水量大約為濾材18的體積的5-10倍。在部分實施例中，清洗步驟102的操作時間大約介於20-60分鐘。在部分實施例中，本發明濾材的再生方法100更包括於清洗步驟102後，進行回收步驟106，例如回收自再生淨化裝置14所排出含鹼性化合物的濃縮液。

之後，以強酸對濾材18進行含浸步驟104。

在部分實施例中，含浸步驟104可包括洗滌或浸泡等方式。在部分實施例中，含浸步驟104可包括單次浸泡或多次循環浸泡，端依賴合理的用水量做調整。在部分實施例中，含浸步驟104的操作時間大約介於1-120分鐘。在部分實施例中，含浸步驟104的操作時間大約介於5-30分鐘。在部分實施例中，含浸步驟104的操作時間大約介於10-30分鐘。在部分實施例中，含浸步驟104所使用的強酸可包括酸鹼值(pH)小於3的強酸，例如硫酸等。在部分實施例中，含浸步驟104所使用的強酸的濃度大約介於1-3M。在部分實施例中，含浸步驟104所使用的強酸的濃度大約介於2-3M。在部分實施例中，含浸步驟104中強酸的用量僅覆蓋濾材18即可。在部分實施例中，本發明濾材的再生方法100更包括以重力、加壓、或加氣方式(未圖示)自再生淨化裝置14排出含鹼性化合物與強酸的濃縮液。在部分實施例中，本發明濾材的再生方法100更包括於含浸步驟104後，進行回收步驟108，例如回收自再生淨化裝置14所排出含鹼性化合物與強酸的濃縮液。至此，經含浸步驟104及排出濃縮液後的濾材18即可再生使用，可將其繼續應用於後續的廢氣處理步驟110，不需長時間吹乾含浸後的濾材18。

請參閱第3圖，根據本發明的一實施例，提供氣體的淨化(purification)方法1000。第3圖為氣體的淨化方法1000的示意圖。

首先，將廢氣1200導入酸洗塔12，以進行廢氣1200中鹼性化合物的洗出。廢氣1200的內容物包括50-200ppm的鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)、1-100ppm的酸性化合物、以及1-10ppm的揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)。在部分實施例中，酸洗塔12的洗液可包括各種強酸溶液，例如硫酸等。

廢氣1200經酸洗塔12的酸洗步驟後，產生第一排出氣體1400以及第一洗出液1600。第一排出氣體1400的內容物包括1-2ppm的鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)、1-100ppm的酸性化合物、以及1-10ppm的揮發性有機化合物。第一洗出液1600則包含高濃度的鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)。之後，將第一排出氣體1400導入內部設置有濾材18的再生淨化裝置14，以進行第一排出氣體1400的淨化(purification)，以及將第一洗出液1600導入鹼性化合物回收再生系統1800，以進行鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)的回收再利用。在部分實施例中，設置於再生淨化裝置14中的濾材18可包括多孔性吸附材，例如活性碳、氧化鋁、或沸石等。

第一排出氣體1400經再生淨化裝置14的淨化步驟後，產生第二排出氣體2000。之後，經上述濾材的再生方法後，產生第二洗出液2200。第二排出氣體2000的內容物包括1-100ppm的酸性化合物以及1-10ppm的揮發性有機化合物。第二洗出液2200則包含高濃度的鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)。在部分實施例中，第二洗出液2200的鹼性化合物的濃度大約為1-2wt%或以上，即表示第一排出氣體1400經再生淨化裝置14的淨化步驟後，已將鹼性化合物的濃度自1-2ppm濃縮至1-2wt%或以上(濃縮比例達1,000倍以上)。值得注意的是，此時的第二排出氣體2000已無鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)的殘留。之後，將第二排出氣體2000導入鹼洗塔16，以進行第二排出氣體2000中酸性化合物的洗出，以及將第二洗出液2200導入鹼性化合物回收再生系統1800，以進行鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)的回收再利用。在部分實施例中，鹼洗塔16的洗液可包括各種強鹼溶液，例如氫氧化鈉等。

第二排出氣體2000經鹼洗塔16的鹼洗步驟後，產生第三排出氣體2400。第三排出氣體2400的內容物包括0.1-1ppm的酸性化合物以及1-10ppm的揮發性有機化合物。此時的第三排出氣體2400已無鹼性化合物(例如3-甲基吡啶)的殘留，且僅包含低濃度的酸性化合物。至此，即完成廢氣1200的淨化。

實施例/比較例

本發明進行濾材的吸附處理容量測試，吸附床反應器的直徑及長度分別為2.0cm及30cm，吸附溫度為25°C，進流氣體以浮子流量計控制流量，總氣體流量為7.8L/min。鹼性汙染物以3-甲基吡啶(C6H7N (CAS:108-99-6)，閾值為0.02ppm)及二甲胺進行測試，3-甲基吡啶及二甲胺的濃度則是利用曝氣方式產生(水浴溫度控制在20°C)，再以空氣加以稀釋調整；進行吸附實驗時，入、出流的鹼性廢氣濃度以碳氫化合物分析儀進行分析。

二甲胺去除效率測試：

取20克的濾材處理含二甲胺的廢氣，入口的二甲胺濃度為經碳氫化合物分析儀顯示125單位，總氣體流量為8.0L/min，空氣相對濕度為80% (25°C)，測試8小時後，出口二甲胺濃度為經碳氫化合物分析儀顯示0單位，去除率大於99%，顯示此濾材可有效處理鹼性化合物二甲胺。

飽和吸附量測試：

取20克的濾材處理含3-甲基吡啶的廢氣，3-甲基吡啶的濃度為200ppm，總氣體流量為7.8L/min，空氣相對濕度為80% (25°C)，待尾氣3-甲基吡啶的濃度大於180ppm後，停止測試，並計算單位濾材所處理的3-甲基吡啶量。

實施例1

2 段式再生及低濃度 3- 甲基吡啶廢氣處理測試

(1) 清洗步驟：將水量為10倍濾材體積的去離子水從吸附管柱上端沖洗，流出的清洗濃縮液有3-甲基吡啶的味道，溶液pH値約為2。

(2) 含浸步驟：加入60ml的硫酸溶液(1M)，浸泡2分鐘，排液後，尾氣中3-甲基吡啶的濃度約為0-1ppm (檢知管分析)，再加入40ml的硫酸溶液(3M)，浸泡15分鐘，排液後，尾氣中3-甲基吡啶管的濃度為0ppm (檢知管分析無變色)。

經2段式再生處理程序後的濾材續處理含3-甲基吡啶的廢氣，3-甲基吡啶的濃度為5ppm，總氣體流量為7.8L/min，空氣相對濕度為80% (25°C)，待尾氣3-甲基吡啶的濃度大於4.5ppm後，可停止測試，並計算單位濾材所處理的3-甲基吡啶量，結果載於下表1。

比較例1

4 段式再生及高濃度 3- 甲基吡啶廢氣處理測試

當濾材吸附飽和時，停止測試，進行濾材再生，再生程序及分析如下：

(2) 吹除步驟：使用實驗室外氣進行吹除(25°C，RH~65%)，6L/min，吹除8小時後，濾材重量變化小於0.1克後，停止吹除，進行含浸步驟。

(3) 含浸步驟：將3M的硫酸(H₂ SO₄ )含浸液倒入裝有吹除後的濾材管柱中，溶液覆蓋滿過濾材，静置30分鐘後，洩去溶液。

(4) 吹除步驟：以風量6L/min的外氣吹除2小時後備用。

在清洗段加入250ml的去離子水進行清洗後，以外氣吹除濾材時，尾氣中3-甲基吡啶的濃度約為2ppm (檢知管分析)，再加入150ml的去離子水(共400ml)進行清洗，吹除時，尾氣中3-甲基吡啶的濃度仍約2ppm(檢知管分析)，顯示進行清洗後的吹除步驟會使3-甲基吡啶從濾材中再次逸散出來，造成二次汙染。

將4段式再生後的濾材處理含3-甲基吡啶的廢氣，3-甲基吡啶的濃度為200ppm，總氣體流量為7.8L/min，空氣相對濕度為80% (25°C)，待尾氣3-甲基吡啶的濃度大於180 ppm後，可停止測試，並計算單位濾材所處理的3-甲基吡啶量，結果載於下表1。

比較例2

4 段式再生及低濃度 3- 甲基吡啶廢氣處理測試

再生處理程序與比較例1相同，但以壓縮乾燥後的空氣(25℃，RH＜10%)，6L/min，取代外氣進行吹除1小時，之後，進行含浸步驟。吹除時，尾氣中3-甲基吡啶的濃度仍約2ppm (檢知管分析)。將以壓縮乾燥空氣進行吹除處理的4段式再生後的濾材進行3-甲基吡啶廢氣測試，廢氣測試時，3-甲基吡啶的濃度為5ppm，尾氣3-甲基吡啶的濃度大於4.5ppm後，可停止測試，並計算單位濾材所處理的3-甲基吡啶量，結果載於下表1。表1、不同再生方式處理含3-甲基吡啶廢氣之差異

濾材別	新鮮濾材	比較例1 (4段式再生濾材)	比較例2 (4段式再生濾材)	實施例1 (2段式再生濾材)
3-甲基吡啶濃度(ppm)	200	200	5	5
3-甲基吡啶去除率(%)	＞99	＞99	＞99	＞99
穿出處理量(wt%)	21	＞21	＞21	＞21
估計清洗濃縮液中AP含量*	1%	1%	1%	1%
估計濃縮倍率	-	-	2000	2000
吹除條件	-	外氣(25-26℃，RH=65-75%)吹除8小時(6L/min)	壓縮乾燥空氣(25-26℃，RH＜10%) 吹除1小時(6L/min)	無吹除(排液)
吹除時，尾氣3-甲基吡啶濃度	-	1-2ppm	1-2ppm	未檢出

濾材:20克；穿出處理量為C/C0=0.05時之計算處理量；3-甲基吡啶濃度使用檢知管進行分析 *以20克濾材吸附約4克AP估算(20%)，清洗液約為400克

上述實施例之特徵有利於本技術領域中具有通常知識者理解本發明。本技術領域中具有通常知識者應理解可採用本發明作基礎，設計並變化其他製程與結構以完成上述實施例之相同目的及/或相同優點。本技術領域中具有通常知識者亦應理解，這些等效置換並未脫離本發明精神與範疇，並可在未脫離本發明之精神與範疇的前提下進行改變、替換、或更動。

10:氣體淨化濃縮系統12:酸洗塔14:再生淨化裝置16:鹼洗塔18:濾材100:濾材的再生方法102:清洗步驟140:含浸步驟106、108:回收步驟110:廢氣處理步驟1000:氣體的淨化方法1200:廢氣1400:第一排出氣體1600:第一洗出液1800:鹼性化合物回收再生系統2000:第二排出氣體2200:第二洗出液2400:第三排出氣體

第1圖係根據本發明的一實施例氣體淨化濃縮系統的示意圖；以及第2圖係根據本發明的一實施例濾材的再生方法的流程示意圖；以及第3圖係根據本發明另一實施例氣體的淨化方法的流程示意圖。

10:氣體淨化濃縮系統

12:酸洗塔

14:再生淨化裝置

16:鹼洗塔

18:濾材

Claims

一種氣體淨化濃縮系統，包括：一酸洗塔；一再生淨化裝置，與該酸洗塔連接，其中該再生淨化裝置設置有一濾材，用以淨化廢氣中的鹼性化合物，且該濾材得以再生使用；以及一鹼洗塔，與該再生淨化裝置連接。
如申請專利範圍第1項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該酸洗塔的洗液包括硫酸。
如申請專利範圍第1項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該鹼性化合物包括無機鹼或有機鹼。
如申請專利範圍第3項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該鹼性化合物包括3-甲基吡啶或二甲胺。
如申請專利範圍第1項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該鹼性化合物的濃度介於1-200ppm。
如申請專利範圍第1項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該濾材包括多孔性吸附材。
如申請專利範圍第6項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該濾材包括活性碳、氧化鋁、或沸石。
如申請專利範圍第1項所述的氣體淨化濃縮系統，其中該鹼洗塔的洗液包括氫氧化鈉。
一種濾材的再生方法，包括：提供如申請專利範圍第1項所述之氣體淨化濃縮系統，並對該再生淨化裝置中的該濾材進行一清洗步驟；以及以強酸對該濾材進行一含浸步驟。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該清洗步驟係以清水清洗該濾材。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該清洗步驟包括單次清滌、多次清滌、或浸泡。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該清洗步驟的操作時間介於20-60分鐘。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，更包括於該清洗步驟後，回收自該再生淨化裝置所排出含該鹼性化合物的濃縮液。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該含浸步驟包括洗滌或浸泡。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該含浸步驟的操作時間介於5-30分鐘。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該強酸包括硫酸。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，其中該強酸的濃度介於1-3M。
如申請專利範圍第9項所述的濾材的再生方法，更包括以重力、加壓、或加氣方式自該再生淨化裝置排出含該鹼性化合物與該強酸的濃縮液。
如申請專利範圍第18項所述的濾材的再生方法，更包括回收自該再生淨化裝置所排出含該鹼性化合物與該強酸的濃縮液。