活性碳纖維在 VOCs 處理裝置中吸附性能及效果及措施
目前，活性碳纖維被應(yīng)用于處理各種的有機廢氣，其相應(yīng)的研究成果也有很多：本研究主要是以吸附法為主體，活性炭纖維布作為吸附材料，環(huán)己烷作為VOCs的模擬物，通過正交實驗探討風(fēng)速、環(huán)己烷流量、ACF布數(shù)以及ACF布孔等因素對ACF布的飽和吸附時間和飽和吸附量的影響；同時比較ACF布在無孔和有孔的情況下，風(fēng)機運行所需要的功率，為合理使用ACF布處理VOCs提供依據(jù)，為進一步處理提供依據(jù)。
1實驗過程
1.1實驗材料
吸附劑：活性炭纖維布，江蘇蘇通碳纖維有限公司。吸附質(zhì)：環(huán)己烷，天津市富宇精細化工有限公司，分析純。
1.2實驗儀器
實驗所使用的主要儀器見表1。
1.3實驗過程
1.3.1活性炭纖維布的預(yù)處理
活性炭纖維布在使用前，要先裁剪成面積略大于48cm×48.5cm的塊狀布，若是實驗中要求有孔的ACF布，則在布上均勻地剪出9個直徑約1cm的小洞(見圖1)。裁剪后，在烘箱中以100℃烘6個小時左右。在烘完冷卻后，應(yīng)立即轉(zhuǎn)移至密封袋中，防止重新吸附空氣中。
.png)
1.3.2吸附流程
活性炭纖維布吸附環(huán)己烷實驗流程如圖2所示。首先，開動風(fēng)機，由調(diào)控裝置和測風(fēng)儀調(diào)控風(fēng)速至符合實驗要求。然后把足量的環(huán)己烷倒入燒杯中，由流量型蠕動泵定量抽送到數(shù)顯調(diào)節(jié)儀上進行加熱(80℃)后噴出進入風(fēng)道，經(jīng)風(fēng)機引動以一定的流速進入ACF吸附室，此時，可在風(fēng)道前段的特定位置用VOC儀測定環(huán)己烷的初始濃度。在ACF吸附室中由多孔鐵框負載ACF布，用于吸收通入的環(huán)己烷，通過吸附室后的氣體在風(fēng)道后段的特定位置用VOC儀進行定時(3min)的環(huán)己烷濃度測定并記錄。
.png)
1.4ACF布吸附性能測定方法
1.4.1ACF布飽和吸附時間測定方法
(1)把實驗要求的ACF負載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。(2)按相應(yīng)的實驗要求調(diào)控好風(fēng)速和環(huán)己烷流量后，開動流量型蠕動泵，同時開始計時。(3)計時開始后，在風(fēng)道的前段的特定位置，使用VOC儀測定環(huán)己烷的初始濃度并記錄；在測定環(huán)己烷初始濃度以后，在開始計時后的第3分鐘測定風(fēng)道后段的環(huán)己烷濃度，此后，每隔3分鐘測定1次并記錄，直到環(huán)己烷濃度恒定在一個小范圍(±0.1)不變后，停下風(fēng)機和流量蠕動泵。(4)將上面得到的環(huán)己烷初始濃度記為C0，每隔3分鐘所測得的環(huán)己烷濃度記為Ct，按公式(1)處理，即可得到相應(yīng)時間的環(huán)己烷透過率Q：Q=Ct/C0(1)處理完成后，做一個Q-t的曲線關(guān)系圖，即可在圖上找到相應(yīng)的飽和吸附時間。
1.4.2ACF布飽和吸附量測定方法
(1)用電子天平測量進行預(yù)處理后的ACF布質(zhì)量，記為g1。
(2)用電子天平測量測量飽和吸附后的ACF布質(zhì)量，記為g2。
(3)按公式(2)處理即可得到飽和吸附量q。
q=(g2-g1)/g1(2)
1.5風(fēng)機運行功率測定方法
(1)把實驗要求的ACF負載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。
(2)在調(diào)控裝置上調(diào)控風(fēng)機運行的交流電頻率，由測風(fēng)儀測定風(fēng)速是否符合實驗要求，若不符合，則繼續(xù)調(diào)控交流電頻率至風(fēng)速合適為止。
(3)在調(diào)控好風(fēng)速后，可在調(diào)控裝置上讀出該交流電頻率下的電流I和電壓U，由公式(3)即可算出相應(yīng)的風(fēng)機運行功率P。
P=IU(3)
1.6活性炭纖維吸附性能測定實驗方案
本次實驗中，選擇風(fēng)速(A)、ACF布數(shù)(B)、ACF布孔(C)以及環(huán)己烷流量(D)作為考察ACF布吸附環(huán)己烷的吸附性能的4個因素，每個因素選擇2個水平，按L8(24)進行正交實驗，具體測定方案見表2和表3。
.png)
2結(jié)果與討論
2.1ACF布對環(huán)己烷的吸附性能測定結(jié)果與討論
2.1.1ACF布飽和吸附時間和飽和吸附量測定結(jié)果
本次正交實驗中，ACF布吸附環(huán)己烷的飽和吸附時間和飽和吸附量測定結(jié)果見表4。
.png)
表中SⅠ是因素水平為1的飽和吸附時間加和，SⅡ是因素水平為2的飽和吸附時間加和；SⅠ'是因素水平為1的飽和吸附量加和，SⅡ'是因素水平為2的飽和吸附量加和。從表4看出活性炭纖維是有吸附性能的，其吸附屬于物理性吸附，當(dāng)表面層的物質(zhì)粒子受到指向內(nèi)部的拉力，會產(chǎn)生不平衡力場，ACF表面向周圍的介質(zhì)中捕獲其他的物質(zhì)粒子，使不平衡力場得到一定補償。揮發(fā)性有機化合物在活性炭纖維表面以多段微孔填充的方式迅速、穩(wěn)定地聚集于ACF微孔內(nèi)[7,8]；钚蕴坷w維的優(yōu)異吸附性能，源于它的高比表面積。日本學(xué)者金子克美提出，由于孔壁勢場的疊加效應(yīng)，當(dāng)孔徑是吸附質(zhì)分子直徑的2倍時，較容易發(fā)生吸附[9]。對于活性炭等多孔材料，吸附主要發(fā)生在內(nèi)部的微孔部分，大孔和中孔主要起傳遞作用。相比之下(見圖3)，常規(guī)活性碳纖維是表面性單分散微孔材料，同樣比表面積，能夠產(chǎn)生吸附作用的面積更大，因而吸附、脫附速度更快、吸附量更大。
.png)
.png)
如圖4所示，在風(fēng)速為1.5m/s和2.1m/s時，SⅡ比SⅠ大，SⅡ’比SⅠ’小，即風(fēng)速增大，會延長ACF布的飽和吸附時間，同時會降低ACF布的飽和吸附量。雖然風(fēng)速越大，環(huán)己烷分子可以更快地接觸ACF布而被吸附，加快吸附的過程；但同時，風(fēng)速的增大會使得環(huán)己烷分子更快地通過ACF布而不容易被吸附，甚至有部分環(huán)己烷分子會因風(fēng)速增大而脫附，降低了ACF布的吸附的效率，使飽和吸附量降低，同時延長ACF布的吸附飽和時間，這一點與前人的研究結(jié)果相符合[10]。
2.1.3ACF布數(shù)量對ACF布吸附性能的影響
.png)
如圖5所示，在活性炭纖維布為1塊和2塊時，SⅡ?qū)τ赟Ⅰ的差值很大，即ACF布數(shù)量對吸附飽和時間的影響很大；且SⅡ'大于SⅠ'，說明ACF布數(shù)量的增加能提高ACF布的單位吸附質(zhì)量。這主要是因為ACF布作為吸附材料在吸附過程中起主導(dǎo)作用。ACF布的增加，即是吸附材料的增加，這能夠直接提高對環(huán)己烷的吸附量，延長飽和吸附時間；同時，環(huán)己烷能更加充分地與吸附材料接觸，提高吸附效率和飽和吸附量。不過，吸附效率和飽和吸附量的提高也會使得單位吸附質(zhì)的飽和吸附時間縮短。綜合而言，ACF布數(shù)量的增加能有效提高整體吸附質(zhì)的飽和吸附時間和飽和吸附量，但會縮短單位吸附質(zhì)的飽和吸附時間。
2.1.4ACF布孔對ACF布吸附性能的影響
.png)
如圖6所示，SⅡ比SⅠ大，SⅠ'比SⅡ'大，即ACF布在有孔的情況下，飽和吸附時間會延長，飽和吸附量會減少。這主要是因為ACF布上孔的存在，會使得在孔附近的氣壓壓強增大，風(fēng)速有所增強，使得環(huán)己烷分子更容易從有孔的位置通過而不被吸收，降低吸附效率，延長飽和吸附的時間；同時，在ACF布上有孔會直接減少吸附材料的面積和質(zhì)量，使得飽和吸附量減少。
2.1.5環(huán)己烷流量對ACF布吸性能的影響
.png)
如圖7所示，在環(huán)己烷流量為2mL/min和2.5mL/min時，SⅠ比SⅡ大，SⅡ'比SⅠ'大，即環(huán)己烷流量增大，會縮短飽和吸附時間，增大飽和吸附量。這是因為環(huán)己烷的流量增大，會直接增加在單位時間內(nèi)進入到風(fēng)道中環(huán)己烷分子的量，ACF布吸附的環(huán)己烷的量就會更多，空白吸附位的填充就會更快更多，使得ACF布的飽和吸附時間縮短，飽和吸附量增大，這一點符合微孔填充理論。
2.2ACF布孔對風(fēng)機運行功率的影響
在風(fēng)速為1.5m/s和2.1m/s的條件下，測定了ACF無孔和有孔時的風(fēng)機運行功率，測定結(jié)果見表5。
.png)
如表5所示，在風(fēng)速為1.5m/s和2.1m/s，ACF布有孔的情況下，風(fēng)機的運行功率能降低8%~12%，且效果隨ACF布數(shù)量增加而更加明顯。這表明：使用帶孔的ACF布作為吸附材料，雖然會延長飽和吸附時間和降低飽和吸附量，但影響并不是特別大，反而在長時間的吸附過程中，使用帶孔的ACF布可以有效地降低風(fēng)機的能耗，這對于考慮工業(yè)上如何節(jié)能很有幫助。
3結(jié)論
(1)風(fēng)量的增大能夠加快ACF吸附環(huán)己烷，但會使相對飽和吸附量也會由此降低，飽和吸附時間加長。
(2)ACF布數(shù)量的增加能明顯提高吸附飽和時間和相對飽和吸附量，但會縮短單位吸附質(zhì)的飽和時間。
(3)ACF布孔的存在雖然不利于吸附性能，但能夠降低風(fēng)機運行功率，減少風(fēng)機長時間運行的能耗，在負載ACF布越多的情況下效果越明顯。
(4)環(huán)己烷流量增大，飽和吸附時間變短，飽和吸附量增大。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
