甲苯在活性炭纤维上的吸附与脱附研究
摘要： 研究 了新型高效吸附材料活性炭纤维(ACF)对甲苯废气的吸附及再生的效果。利用GC-900气相色谱 分析 仪检测甲苯的浓度，通过实验研究甲苯在活性炭上的吸附与脱附。实验结果表明，用该工艺处理的甲苯废气可以达标排放，实验对 工业 实际 应用 具有一定的指导意义。
关键词：活性炭纤维 有机废气 吸附 再生
废气治理是大气污染控制过程中的一个重要环节。有机挥发性气体广泛存在于工业和家庭设施中，不仅给工农业生产造成 影响 ，而且对人体的健康也有极大的危害。空气中挥发性有机物(VOCs)是石油、化工和一些轻工业如制药、印刷、涂料、制鞋、玩具等行业在生产中产生的最常见的污染物。一些则是剧毒物质，如某些树脂、含氯化合物(氯乙烯等)、有机磷化合物等;更多的是毒性较小的VOCs，如醛、酮、烷烃、苯环系列及其衍生物等，长时暴露在这些物质污染的环境中就会引起中毒事故，严重的导致终身伤残，甚至致死[1]。VOCs的污染防治 问题 逐渐受到重视，引进国外治理设备存在投资大、运行成本高的问题，国内传统工艺存在技术落后、运行不稳定、效率低的问题，因此亟待研究开发新的治理工艺。
吸附法作为处理有机废气的应用最为广泛，以其去除率高、净化彻底、能耗低等特性越来越受到人们的关注。活性炭纤维(ACF)是20世纪70年代 发展 起来的，以其独特、优越的性能大大增强了炭质吸附剂的功能，拓宽了炭质吸附剂的应用领域，是一种新型、高效的吸附材料。与传统的活性炭相比，ACF具有优良的结构特征，它含碳量高、比表面积大，微孔丰富、孔径分布窄，并带有一定量的表面官能团。这些特征有利于吸附和脱附，使得ACF对各种有机化合物具有较大的吸附量和较快的吸脱附速度[2]。而且，ACF可以制成布、毡等各种各样的形状，这就使得它比传统的活性炭颗粒具有更优越的吸附性[3]。近年来研究人员对ACF对气体的吸附特性做了很多研究，如VOCs、NOx和SO2等。本实验以甲苯为研究对象，采用粘胶基ACF吸附装置对甲苯废气进行吸、脱附实验研究。
1 实 验
1.1 实验材料
吸附剂：本实验采用粘胶基ACF作为吸附剂，表1是粘胶基ACF的结构和功能参数。
吸附质：甲苯(广州化学试剂厂)，分析纯。
表1 粘胶基ACF的结构和功能参数
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名 称
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外表面积 /（m2·g-1）
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比表面积 /(m2·g-1)
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平均孔径 /nm
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单丝直径 /μm
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苯吸附量 /%
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厚度 /mm
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粘胶基ACF
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1.5～2.0
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1000～1500
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1.7～2.6
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9～18
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>30
|
2.0～3.5
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1.2 实验装置及流程
采用氮气作为载气，通过鼓泡法产生甲苯气体，整套装置主要由甲苯发生器、吸脱附反应器、热水蒸气发生器/热空气发生器和回收装置四部分组成，装置流程如图1所示。
整个实验过程分为吸附和脱附两个阶段，在吸附过程中，通过鼓泡法产生的甲苯气体与干燥空气混合，从底部进入反应器，经过活性炭纤维吸附处理后排出，此时阀门12和17关闭;在脱附过程中，采用热的空气或者热的水蒸汽以逆向方式对饱和的活性炭纤维进行解吸，解吸过程所产生的甲苯和空气或者水蒸汽的混合气体经过冷凝回收，做进一步处理。实验采用GC-900气相色谱分析仪测定反应器进出口甲苯的浓度，分析活性炭纤维的吸附和再生性能。
图1 活性炭纤维吸附甲苯废气的装置流程图
2 实验结果与讨论
影响气体吸附的因素很多，主要有吸附剂的性质、吸附质的性质与浓度、吸附的操作条件及吸附器的大小和结构等[3，4]。其中吸附的操作条件有温度、操作压力、气体流速和气体进口浓度等。
本实验主要研究吸附的操作条件中对吸附的影响因素，由于实验温度为室温，操作压力为常压，所以实验中只考察气体流量、甲苯的进口浓度、ACF的填充高度的影响，以及对比了用水蒸气法和热空气法脱附两种再生 方法 。实验过程的取样速度均为0.08～0.12 L/min。
2.1 气体流量的影响
研究在不同甲苯流量、其他条件近似下的ACF吸附甲苯的情况。
ACF的填充高度均为100 mm，温度均在20 ℃左右，实验条件见表2。实验结果如图2所示。
表2 实验条件
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活性炭质量/g
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气体流量（m3·h-1）
|
平均进口浓度/（mg·m-3）
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1.5040
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0.1
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484.141
|
|
1.5002
|
0.2
|
490.465
|
|
1.5050
|
0.3
|
491.173
|
|
1.5040
|
0.4
|
475.444
|
图2 吸附过程穿透曲线
由图2可看出，随着气体流量的增大，达到吸附饱和的时间就越短。其中当气体流量为0.1 m3/h时，吸附饱和时间可达400多分钟;而气体流量为0.4 m3/h时，吸附饱和时间只需100多分钟。当气体流速高时，与ACF的接触时间短，达到吸附饱和的时间就短;当气体流速低时，与ACF的接触时间长，则ACF就得以充分利用，达到吸附饱和的时间就长。因此，气体流速要保持适中，若速率太大，不仅增加了压力损失，而且会使气体分子与吸附剂接触时间过短，不利于气体的吸附，因而降低吸附效率;而气体流速过低，要达到一定的处理量，又会使设备体积增大。实际情况中，可根据需要选择合适的气体流量，以达到所需要的吸附效果。
2.2 进口浓度的影响
研究在甲苯的进口浓度不同、其他条件近似下的ACF附甲苯的情况。ACF的填充高度均为100 mm，甲苯流量为0.3 m3/h，实验条件见表3，实验结果见图3。
表3 实验条件
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序号
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活性炭质量/g
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温度/℃
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平均进口浓度/（mg·m-3）
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1
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1.5048
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21
|
176.470
|
|
2
|
1.5050
|
16
|
332.864
|
|
3
|
1.5050
|
19
|
491.173
|
|
4
|
1.5078
|
21
|
700.409
|
|
5
|
1.5060
|
16
|
1073.543
|
图3 吸附过程穿透曲线
由图3可看出，气体进口浓度对吸附也有影响，浓度越高，吸附时间越短，在短期内就可以穿透。对ACF来说，在高浓度条件下吸附气体时，物理吸附占主导地位，吸附是多层的，快速进行的，此时的吸附量不依赖于被吸附物质的属性，而只依赖于ACF的孔径和孔的数量;相反在低浓度下吸附时，由于各种条件的影响，有可能伴随发生化学吸附行为，此时吸附质的化学性质对吸附量也有一定的影响。还可看到随饱和度增大即吸附质浓度的增加，平衡吸附量增大。这是由于吸附开始阶段，ACF具有大量的未被吸附的吸附位，有机蒸气直接触及微孔表面到达吸附位，且随着浓度增加，更多的吸附质分子与吸附位作用，所以吸附过程更易于达到较高吸附量下的吸附-脱附平衡。在低浓度时，ACF也具有较好的吸附性能，这是其他吸附剂所无法比拟的。这应归因于ACF的微孔尺寸与有机化合物分子尺寸大体相当，由于范德瓦耳斯力的作用使相距很近的孔壁吸附力场发生叠加，引起微孔内吸附势能的增加，因此对低浓度有机蒸气也能够较好地吸附[2]。
2.3 填充高度的 影响
研究 在甲苯的进口浓度不同、其他条件近似下的ACF吸附甲苯的情况。甲苯流量为0.3 m3/h，温度均在20 ℃左右，实验条件见表4，实验结果见图4。
表4 实验条件
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活性炭质量/g
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填充高度/mm
|
平均进口浓度/（mg·m-3）
|
|
1.5078
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100
|
700.409
|
|
2.2512
|
150
|
735.500
|
|
3.0012
|
200
|
744.061
|
图4 吸附过程穿透曲线
由图4可看出，在气体流量和进口浓度基本不变的情况下，改变ACF填充高度对穿透曲线基本上没什么影响。李立清等[5]研究的实验中提到床层高度、吸附柱空塔速度只是让吸附和脱附穿透曲线左右平移。叶振华[6]也提出，当气体流速和进口浓度一定时，形成浓度波并移动一段距离后波形固定不变，不因改变床层高度而改变。因此，改变ACF的填充高度在本质上对吸附量并没有什么影响。
2.4 两种再生 方法 的比较
表5 实验条件
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名称
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气体体积流率/（m3·h-1）
|
气体进口平均浓度/（mg·m-3）
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脱附温度/℃
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水蒸气法
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0.4
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461
|
107
|
|
热空气法
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0.4
|
475
|
103
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实验发现，脱附出口浓度降到100 mg/m3以下时，水蒸气法和热空气法用时分别为20 min和45 min，脱附完全所用时间分别为91 min和103 min，脱附末端出口浓度分别为14 mg/m3和17 mg/m3(见图5)。
图5 脱附过程出口浓度曲线
从以上结果可看出，在实验条件相似的情况下，水蒸气的脱附效果比热空气法稍好，出口浓度下降的较快，整体的脱附过程也是水蒸气法完成得较快，且最终的出口比热空气法要低，说明脱附得更完全。水蒸气法脱附对设备的要求较高，要求设备密封、高强度的耐高温和耐腐蚀性等，因此相应的运行成本也较高。另外水蒸气法脱附前的准备工作时间长，而且需要消耗相对于热空气更多的能量，脱附结束后，用再生的ACF进行再吸附前还需要一个吹干的过程，此过程也会消耗一定的能量和时间。
对比这两种再生方法，虽然从技术上讲，水蒸气法脱附效果更好，但从实际 应用 上来看，热空气法的应用性更强。在实际的 工业 应用中，要综合考虑各方面的因素，不仅要考虑到脱附效果的 问题 ，还要考虑脱附过程所消耗的能量、吸附过程情况、吸附质的性质以及设备的适应情况，尽量做到较好的脱附效果的同时又能节省能源和成本。
3 结 论
(1)气体流量、进口浓度对穿透曲线都有影响，气体流量越大，吸附饱和时间越短;进口浓度越大，吸附饱和时间越短。而在气体流量和进口浓度一定的情况下，改变填充高度，对穿透曲线基本上没有影响，只是让穿透曲线左右平移。ACF不仅对高浓度有机蒸气具有良好的吸附性能，而且对低浓度的有机蒸气也具有较高的吸附能力。
(2)水蒸气脱附法和热空气脱附法的脱附效果都很好，脱附过程只要到达一定的温度，脱附速度都比较快，脱附效果都比较理想。水蒸气脱附法相对于热空气脱附法来说，对设备的要求更高，消耗的能量也更多，因此成本也相对更高。但在实际应用中，具体用哪种脱附方法，还要综合考虑各方面的因素。
参考 文献
1 林晓丹，陈水挟，曾汉民.VOCs的净化及活性碳纤维的应用.广东化工，2003，5:40～43
2 王成扬，冯丽萍，何 菲.活性炭纤维的表面特性及其对有机蒸气的吸附研究.炭素，1999，4：3～7
3 Huang Z H，Kang F Y，Liang K M，et al. Breakthrough of Methyethylketone and benzene vapors in activated carbon fiber beds.Jonunrnal of Hazardous Materials，2003，B98：107～115
4 Rong H Q，Ryu Z Y，Zheng J T，et al.Effecto of air oxidation of Rayon-based activated carbon fibers on the adsorption behavior for formaldehyde.Carbon，2002，40： 2291～2300
5 李立清，张宝杰.活性炭吸附丙酮及其脱附 规律 的实验研究.哈尔滨工业大学学报，2004，12(36)：1641～1645
6 叶振华.化工吸附分离过程.北京： 中国 石化出版社，1992.128-130
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