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1、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
2、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
3、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：
4、甲苯（广州化学试剂厂），分析纯。 名 称 外表面积/（m2g-1） 比表面积/(m2g-1) 平均孔径/nm 单丝直径/m 苯吸附量/% 厚度/mm 粘胶基ACF 1.52.0 10001500 1.72.6 918 30 2.03.51.2 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
5、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GC900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。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
6、。实验过程的取样速度均为0.080.12 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。 活性炭质量/g 气体流量（m3h-1） 平均进口浓度/（mgm-3） 1.5040 0.1 484.141 1.5002 0.2 490.465 1.5050 0.3 491.173 1.5040 0.4 475.444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
7、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，
8、实验结果见图3。 序号 活性炭质量/g 温度/ 平均进口浓度/（mgm-3） 1 1.5048 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
9、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AC
10、F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。 活性炭质量/g 填充高度/mm 平均进口浓度/（mgm-3） 1.5078 100 700.409 2.2512 150 735.500 3.0012 200 744.061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
11、吸附量并没有什么影响。2.4 两种再生方法的比较 名称 气体体积流率/（m3h-1） 气体进口平均浓度/（mgm-3） 脱附温度/ 水蒸气法 0.4 461 107 热空气法 0.4 475 103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）。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
12、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
13、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
14、维的应用.广东化工，2003，5:40432 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，1999，4：373 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，B98：1071154 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： 229123005 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)：164116456 叶振华.化工吸附分离过程.北京：中国石化出版社，1992.128-130 14
