甲苯在活性炭纖維上的吸附與脫附研究
摘要： 研究 了新型高效吸附材料活性炭纖維(ACF)對甲苯廢氣的吸附及再生的效果。利用GC-900氣相色譜 分析 儀檢測甲苯的濃度，通過實驗研究甲苯在活性炭上的吸附與脫附。實驗結果表明，用該工藝處理的甲苯廢氣可以達標排放，實驗對 工業 實際 應用 具有一定的指導意義。
關鍵詞：活性炭纖維 有機廢氣 吸附 再生
廢氣治理是大氣污染控制過程中的一個重要環節。有機揮發性氣體廣泛存在于工業和家庭設施中，不僅給工農業生產造成 影響 ，而且對人體的健康也有極大的危害。空氣中揮發性有機物(VOCs)是石油、化工和一些輕工業如制藥、印刷、涂料、制鞋、玩具等行業在生產中產生的最常見的污染物。一些則是劇毒物質，如某些樹脂、含氯化合物(氯乙烯等)、有機磷化合物等;更多的是毒性較小的VOCs，如醛、酮、烷烴、苯環系列及其衍生物等，長時暴露在這些物質污染的環境中就會引起中毒事故，嚴重的導致終身傷殘，甚至致死[1]。VOCs的污染防治 問題 逐漸受到重視，引進國外治理設備存在投資大、運行成本高的問題，國內傳統工藝存在技術落后、運行不穩定、效率低的問題，因此亟待研究開發新的治理工藝。
吸附法作為處理有機廢氣的應用最為廣泛，以其去除率高、凈化徹底、能耗低等特性越來越受到人們的關注。活性炭纖維(ACF)是20世紀70年代 發展 起來的，以其獨特、優越的性能大大增強了炭質吸附劑的功能，拓寬了炭質吸附劑的應用領域，是一種新型、高效的吸附材料。與傳統的活性炭相比，ACF具有優良的結構特征，它含碳量高、比表面積大，微孔豐富、孔徑分布窄，并帶有一定量的表面官能團。這些特征有利于吸附和脫附，使得ACF對各種有機化合物具有較大的吸附量和較快的吸脫附速度[2]。而且，ACF可以制成布、氈等各種各樣的形狀，這就使得它比傳統的活性炭顆粒具有更優越的吸附性[3]。近年來研究人員對ACF對氣體的吸附特性做了很多研究，如VOCs、NOx和SO2等。本實驗以甲苯為研究對象，采用粘膠基ACF吸附裝置對甲苯廢氣進行吸、脫附實驗研究。
1 實 驗
1.1 實驗材料
吸附劑：本實驗采用粘膠基ACF作為吸附劑，表1是粘膠基ACF的結構和功能參數。
吸附質：甲苯(廣州化學試劑廠)，分析純。
表1 粘膠基ACF的結構和功能參數
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名 稱
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外表面積 /（m2·g-1）
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比表面積 /(m2·g-1)
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平均孔徑 /nm
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單絲直徑 /μm
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苯吸附量 /%
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厚度 /mm
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粘膠基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
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2.0～3.5
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1.2 實驗裝置及流程
采用氮氣作為載氣，通過鼓泡法產生甲苯氣體，整套裝置主要由甲苯發生器、吸脫附反應器、熱水蒸氣發生器/熱空氣發生器和回收裝置四部分組成，裝置流程如圖1所示。
整個實驗過程分為吸附和脫附兩個階段，在吸附過程中，通過鼓泡法產生的甲苯氣體與干燥空氣混合，從底部進入反應器，經過活性炭纖維吸附處理后排出，此時閥門12和17關閉;在脫附過程中，采用熱的空氣或者熱的水蒸汽以逆向方式對飽和的活性炭纖維進行解吸，解吸過程所產生的甲苯和空氣或者水蒸汽的混合氣體經過冷凝回收，做進一步處理。實驗采用GC-900氣相色譜分析儀測定反應器進出口甲苯的濃度，分析活性炭纖維的吸附和再生性能。
圖1 活性炭纖維吸附甲苯廢氣的裝置流程圖
2 實驗結果與討論
影響氣體吸附的因素很多，主要有吸附劑的性質、吸附質的性質與濃度、吸附的操作條件及吸附器的大小和結構等[3，4]。其中吸附的操作條件有溫度、操作壓力、氣體流速和氣體進口濃度等。
本實驗主要研究吸附的操作條件中對吸附的影響因素，由于實驗溫度為室溫，操作壓力為常壓，所以實驗中只考察氣體流量、甲苯的進口濃度、ACF的填充高度的影響，以及對比了用水蒸氣法和熱空氣法脫附兩種再生 方法 。實驗過程的取樣速度均為0.08～0.12 L/min。
2.1 氣體流量的影響
研究在不同甲苯流量、其他條件近似下的ACF吸附甲苯的情況。
ACF的填充高度均為100 mm，溫度均在20 ℃左右，實驗條件見表2。實驗結果如圖2所示。
表2 實驗條件
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活性炭質量/g
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氣體流量（m3·h-1）
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平均進口濃度/（mg·m-3）
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1.5040
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0.1
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484.141
|
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1.5002
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0.2
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490.465
|
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1.5050
|
0.3
|
491.173
|
|
1.5040
|
0.4
|
475.444
|
圖2 吸附過程穿透曲線
由圖2可看出，隨著氣體流量的增大，達到吸附飽和的時間就越短。其中當氣體流量為0.1 m3/h時，吸附飽和時間可達400多分鐘;而氣體流量為0.4 m3/h時，吸附飽和時間只需100多分鐘。當氣體流速高時，與ACF的接觸時間短，達到吸附飽和的時間就短;當氣體流速低時，與ACF的接觸時間長，則ACF就得以充分利用，達到吸附飽和的時間就長。因此，氣體流速要保持適中，若速率太大，不僅增加了壓力損失，而且會使氣體分子與吸附劑接觸時間過短，不利于氣體的吸附，因而降低吸附效率;而氣體流速過低，要達到一定的處理量，又會使設備體積增大。實際情況中，可根據需要選擇合適的氣體流量，以達到所需要的吸附效果。
2.2 進口濃度的影響
研究在甲苯的進口濃度不同、其他條件近似下的ACF附甲苯的情況。ACF的填充高度均為100 mm，甲苯流量為0.3 m3/h，實驗條件見表3，實驗結果見圖3。
表3 實驗條件
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序號
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活性炭質量/g
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溫度/℃
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平均進口濃度/（mg·m-3）
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1
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1.5048
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21
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176.470
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|
2
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1.5050
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16
|
332.864
|
|
3
|
1.5050
|
19
|
491.173
|
|
4
|
1.5078
|
21
|
700.409
|
|
5
|
1.5060
|
16
|
1073.543
|
圖3 吸附過程穿透曲線
由圖3可看出，氣體進口濃度對吸附也有影響，濃度越高，吸附時間越短，在短期內就可以穿透。對ACF來說，在高濃度條件下吸附氣體時，物理吸附占主導地位，吸附是多層的，快速進行的，此時的吸附量不依賴于被吸附物質的屬性，而只依賴于ACF的孔徑和孔的數量;相反在低濃度下吸附時，由于各種條件的影響，有可能伴隨發生化學吸附行為，此時吸附質的化學性質對吸附量也有一定的影響。還可看到隨飽和度增大即吸附質濃度的增加，平衡吸附量增大。這是由于吸附開始階段，ACF具有大量的未被吸附的吸附位，有機蒸氣直接觸及微孔表面到達吸附位，且隨著濃度增加，更多的吸附質分子與吸附位作用，所以吸附過程更易于達到較高吸附量下的吸附-脫附平衡。在低濃度時，ACF也具有較好的吸附性能，這是其他吸附劑所無法比擬的。這應歸因于ACF的微孔尺寸與有機化合物分子尺寸大體相當，由于范德瓦耳斯力的作用使相距很近的孔壁吸附力場發生疊加，引起微孔內吸附勢能的增加，因此對低濃度有機蒸氣也能夠較好地吸附[2]。
2.3 填充高度的 影響
研究 在甲苯的進口濃度不同、其他條件近似下的ACF吸附甲苯的情況。甲苯流量為0.3 m3/h，溫度均在20 ℃左右，實驗條件見表4，實驗結果見圖4。
表4 實驗條件
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活性炭質量/g
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填充高度/mm
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平均進口濃度/（mg·m-3）
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1.5078
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100
|
700.409
|
|
2.2512
|
150
|
735.500
|
|
3.0012
|
200
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744.061
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圖4 吸附過程穿透曲線
由圖4可看出，在氣體流量和進口濃度基本不變的情況下，改變ACF填充高度對穿透曲線基本上沒什么影響。李立清等[5]研究的實驗中提到床層高度、吸附柱空塔速度只是讓吸附和脫附穿透曲線左右平移。葉振華[6]也提出，當氣體流速和進口濃度一定時，形成濃度波并移動一段距離后波形固定不變，不因改變床層高度而改變。因此，改變ACF的填充高度在本質上對吸附量并沒有什么影響。
2.4 兩種再生 方法 的比較
表5 實驗條件
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名稱
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氣體體積流率/（m3·h-1）
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氣體進口平均濃度/（mg·m-3）
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脫附溫度/℃
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水蒸氣法
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0.4
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461
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107
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熱空氣法
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0.4
|
475
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103
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實驗發現，脫附出口濃度降到100 mg/m3以下時，水蒸氣法和熱空氣法用時分別為20 min和45 min，脫附完全所用時間分別為91 min和103 min，脫附末端出口濃度分別為14 mg/m3和17 mg/m3(見圖5)。
圖5 脫附過程出口濃度曲線
從以上結果可看出，在實驗條件相似的情況下，水蒸氣的脫附效果比熱空氣法稍好，出口濃度下降的較快，整體的脫附過程也是水蒸氣法完成得較快，且最終的出口比熱空氣法要低，說明脫附得更完全。水蒸氣法脫附對設備的要求較高，要求設備密封、高強度的耐高溫和耐腐蝕性等，因此相應的運行成本也較高。另外水蒸氣法脫附前的準備工作時間長，而且需要消耗相對于熱空氣更多的能量，脫附結束后，用再生的ACF進行再吸附前還需要一個吹干的過程，此過程也會消耗一定的能量和時間。
對比這兩種再生方法，雖然從技術上講，水蒸氣法脫附效果更好，但從實際 應用 上來看，熱空氣法的應用性更強。在實際的 工業 應用中，要綜合考慮各方面的因素，不僅要考慮到脫附效果的 問題 ，還要考慮脫附過程所消耗的能量、吸附過程情況、吸附質的性質以及設備的適應情況，盡量做到較好的脫附效果的同時又能節省能源和成本。
3 結 論
(1)氣體流量、進口濃度對穿透曲線都有影響，氣體流量越大，吸附飽和時間越短;進口濃度越大，吸附飽和時間越短。而在氣體流量和進口濃度一定的情況下，改變填充高度，對穿透曲線基本上沒有影響，只是讓穿透曲線左右平移。ACF不僅對高濃度有機蒸氣具有良好的吸附性能，而且對低濃度的有機蒸氣也具有較高的吸附能力。
(2)水蒸氣脫附法和熱空氣脫附法的脫附效果都很好，脫附過程只要到達一定的溫度，脫附速度都比較快，脫附效果都比較理想。水蒸氣脫附法相對于熱空氣脫附法來說，對設備的要求更高，消耗的能量也更多，因此成本也相對更高。但在實際應用中，具體用哪種脫附方法，還要綜合考慮各方面的因素。
參考 文獻
1 林曉丹，陳水挾，曾漢民.VOCs的凈化及活性碳纖維的應用.廣東化工，2003，5:40～43
2 王成揚，馮麗萍，何 菲.活性炭纖維的表面特性及其對有機蒸氣的吸附研究.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，張寶杰.活性炭吸附丙酮及其脫附 規律 的實驗研究.哈爾濱工業大學學報，2004，12(36)：1641～1645
6 葉振華.化工吸附分離過程.北京： 中國 石化出版社，1992.128-130
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