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        活性碳纖維氈在揮發性有機廢氣處理中的應用

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        活性碳纖維氈(Activated Carbon Fiber,ACF),亦稱纖維狀活性炭,是20世紀60年代繼粉末狀、粒狀活性炭之后發展起來的第三代高效活性吸附材料和環保工程材料,其超過50%的碳原子位于內外表面,構筑成獨特的吸附結構,被稱為表面性固體。它是由纖維狀前軀體經過碳化、活化制成?;钚蕴坷w維是由C,H,O3種元素組成的,主要成分是碳。碳原子以類似石墨微晶片層形式存在,約占總數的60%,含氧官能團如羥基、醚基約占25%,羰基、羧基、酯基約占10%,此外還有其它形式的官能團以及金屬等?;钚蕴祭w維的基本性能取決于其前驅體的物理和化學性質,而它在各個領域中的應用又是由其基本性能決定的。與傳統炭吸附材料相比,ACF具有獨特的化學結構和物理結構,因而它具有含碳量高、比表面積大、微孔豐富且分布窄,吸附速度快,吸附容量大,再生容易等后者不可比擬的優異吸附脫附性能?;钚蕴坷w維的比表面積一般可達1000~1600m2/g,微孔體積占總體積90%左右,其微孔直徑為10μm~40μm。

        2 活性炭纖維的分類與制備工藝

        隨著科研和技術的不斷進步,ACF的種類日趨繁多,根據其生產過程的前驅體不同分為粘膠基、酚醛基、聚丙烯腈基、瀝青基、聚偏二氯乙烯、聚酰亞胺纖維、PBO纖維、聚苯乙烯、聚乙烯醇纖維等等。目前工業上應用最廣泛的是前4種。

        由于原料不同,生產工藝流程也有所不同。綜合考察各種原料纖維到ACF的制備工藝,可將ACF整個制備過程歸納為:原料纖維、可炭化纖維、炭化纖維、活性炭纖維。原料纖維的預處理有兩種類型,它們分別有不同的作用,其一為無機鹽溶液浸漬預處理,能改善活性炭纖維的結構、性能和提高產品的產率。其二為預氧化穩定化處理,能保持纖維形狀,在炭化過程中不熔融變形,形成穩定的結構。炭化過程是在氮氣氣氛中加熱,排除纖維中可揮發的非碳組分,使殘留碳重排生成類石墨微晶的過程。炭化過程直接影響到產品的產率和性能?;罨磻鞘笰CF生成豐富微孔,高比表面積及形成含氧官能團的主要過程。常見的活化方法主要有用CO2或水蒸汽的物理活化和用ZnCl2,H2PO4,KOH的化學活化,處理溫度在700~1000℃間。常用活化劑有水蒸氣和二氧化碳。

        3 活性炭的結構特征和性能

        3.1 結構

        炭纖維經活化后,碳原子主要以類似石墨微晶片層、乳層堆疊的形式存在。它的結構特點是有發達的比表面積,比表面積一般可達1000~1600m2/g,形成大量微孔,孔徑為10μm-40μm,且分布狹窄而均勻,微孔面積占總體積的90%左右。含有許多不規則結構—雜環結構或含有表面官能團的微結構,具有極大的表面能。從而也就造就了微孔相對孔壁分子共同作用形成強大的分子場,提供了一個吸附態分子和化學變化的高壓體系。使得吸附質到達吸附位的擴散路徑比活性炭短、驅動力大且孔徑分布集中,這是造成ACF比活性炭比表面積大、吸脫附速率快、吸附效率高的原因。另可通過適當的表觀改性,改變ACF表面的化學基團的種類和含量,來滿足對特定物質的高效吸附轉化。ACF通常適用于氣相和液相低分子量分子的吸附。當吸附劑微孔大小為吸附質分子臨界尺寸的兩倍左右時,吸附質較易吸附。調整孔徑的目的就是使ACF的細孔與吸附質分子尺寸相當,改性需綜合考慮物理結構與化學結構的影響。

        3.2 性能

        活性炭纖維與傳統炭材料相比具有以下優良性能:

        3.2.1 吸附容量大

        ACF的吸附作用一直是人們研究和應用的熱點,活性炭纖維具有發達的微孔結構,因而吸附量大。對有機氣體、惡臭、腥臭物質,水溶液里的無機物、染料、有機物及重金屬離子吸附量比顆粒狀、粉狀活性炭高幾倍至幾十倍。對細菌、低濃度吸附質的吸附能力特別優良。

        3.2.2 吸附脫附速度快

        ACF表面主要是孔徑分布集中的微孔,吸附質無需象活性炭一樣經長距離的大孔,過渡孔到達微孔,粒內擴散阻力小,因而吸附速度快,對氣體液體的吸附一般能在數十秒至數分種內即可達到吸附平衡。脫附速度快,且再生容易,用120~150℃熱空氣加熱10~30min即可完全脫附。在多次吸、脫附過程中,仍能保持原有的吸附性能。

        3.2.3 氧化還原及催化特性

        活性碳纖維的氧化還原性能在其溶液中吸附金屬離子時表現最為明顯?;钚蕴坷w維的氧化還原特性是由一系列電極電位不同的表面活性基團引起的,活性炭纖維可以作為還原劑,也可用作氧化劑,這取決于所用體系的電位高低?;钚蕴坷w維在一定的催化溫度下表現出很高的催化特性,通過用H2SO4活化ACF,使其表面有催化能力,可以在NH3存在下把NO還原成N2。

        31214 其它特性

        ACF還兼有纖維的各種特性,能制成纖維束、紙、布、氈等形狀,且性能良好,還能耐高溫、酸、堿,且能對活性炭纖維進行改性,大大拓寬其用途。由于以上性能,活性炭纖維一問世就得到人們廣泛的關注和深入的研究,目前被廣泛應用于冶金、食品、化工、醫藥、環保等領域。

        4 活性炭纖維在揮發性有機廢氣處理中的應用現狀

        隨著有機化工產品在工業中的廣泛應用,進入大氣中的有機污染物越來越多,主要是低沸點、易揮發的有機物(VOCs)。它們主要來源于石油化工行業所排放的廢氣;造紙、油漆、涂料、采礦和紡織等行業所排放的有機溶劑。其中工業生產中的涂裝業是廢氣污染嚴重的行業,涂料則是起主導作用的第一要素。涂裝作業中所使用的涂料,大部分為溶劑性涂料,其溶劑含量為60%左右,這部分溶劑最后都散發到作業環境和大氣中去,不但浪費資源,而且給工人的健康和大氣環境造成危害,其中70%左右的溶劑在工人噴涂及流平階段揮發,通過抽風系統排出,30%左右的溶劑在工件涂層固化階段前期,通過固化設備的排氣系統排出。目前,我國常用涂料所產生的廢氣種類有三苯(苯、甲苯、二甲苯)、苯乙烯環己酮、丙酮、松節油,甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、溶劑汽油、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯等。其中,溶于水的有丙酮、醇類等;微溶于水的有醋酸乙酯、醋酸丁酯等,不溶于水的為三苯等。綜觀國內外該類有害氣體的治理技術,一類是采用焚燒和催化燃燒的凈化技術,另一類是吸附后的回收利用技術。從符合可持續發展的要求看吸附法更為適用。由于ACF具有優良的吸附脫附性能,可有效地將生產中產生的低沸點化合物、脂肪族化合物及VOCs等危害人體健康的有機溶劑脫除并回收,因此ACF起著替代顆粒和粉末活性炭在有機廢氣處理中的作用。

        4.1 含苯系物廢氣處理

        在噴漆行業中,大量的苯、甲苯、二甲苯等有機廢氣排放到空氣中,嚴重污染大氣環境,金毓荃等用比表面積為1200m2/g。纖維絮片單層厚度2mm的活性炭纖維處理苯系廢氣,當在濾速為0.20m/s以下時,ACF對苯、甲苯、二甲苯及其混合物的凈化效率高達90%以上,ACF對3種不同物料的凈化效率依次是鄰二甲苯>甲苯>苯;在濾速為0.20m/s,ACF對苯系混合物的吸附容量為195mg/g左右;對ACF進行脫附后再進行吸附,連續14次實驗其結果基本保持不變。汪明光等開發了活性炭纖維吸附處理含甲苯廢氣技術,并用熱風解吸工藝進行了實驗。在中試實驗裝置中,活性炭纖維用量510kg,裝料厚度50mm下經過吸附、脫附實驗,進口濃度為1600mg/m3的廢氣吸附1h,每公斤ACF的吸附量為0.22~0.25kg甲苯。用熱風反吹吸附后的裝置可達到解吸的目的,在脫附開始15~20min內,脫附率可達80%以上。

        中國石化集團揚子石化公司貯運廠204棧臺共有裝卸車鶴管24套,用于裝卸苯及二甲苯,裝車過程產生的有害氣體,原設計由尾氣總管,經氣流分離罐、排氣筒高空排放。由于排放氣中芳烴濃度較高,棧臺周圍環境中苯含量超標,影響職工的身體健康。當在棧臺尾部設計了一套FAC吸附—解吸裝置后,回收溶液中苯含量高達97%,效益可觀。

        4。2 醋酸丁酯廢氣處理

        目前,許多涂裝行業采用醋酸丁酯作溶劑,故生產過程中產生大量的含醋酸丁酯廢氣,造成污染。孫彤等用活性碳纖維作為吸附材料,以恒溫恒壓的空氣作載氣,通過鼓泡法配置一定濃度的醋酸丁酯氣體,當氣速為0.06m/s時,ACF平衡吸附量近600mg/g,實驗結果表明,在溫度、氣體流速、氣體濃度3個因素中,溫度對ACF的平衡吸附量影響最大,隨著溫度的升高,ACF對醋酸丁酯的平衡吸附量下降,傳質系數減少,穿透層高度增大。

        4.3 含烷烴廢氣處理

        徐雪峰等以ACF為吸附材料,采用吸附法對含環己烷有機廢氣進行吸附、回收、凈化處理,運行結果表明,在廢氣量為50~300m3/h,廢氣含環己烷質量百分率為0.1~1.34%的條件下,用活性炭纖維進行吸附解吸,環己烷的回收率達88%,經濟效益十分明顯。在感光膠片的生產過程中有大量的二氯甲烷廢氣排出。李守信等在二氯甲烷廢氣的治理工程中,設計采用三箱吸附系統,當廢氣流量為10000m3/h,廢氣中二氯甲烷濃度為3000mg/m3的條件下,設備裝置經過半年時間,運行狀況一直良好,吸附效率一直保持在97%以上,大大改善了大氣環境,每年凈收益達7514萬元。

        4.4 甲醇廢氣處理

        陸安慧等研究了PAN基炭纖維預氧氈、炭氈、空氣氧化氈、KOH活化氈對甲醇這種有極性的小分子的吸附性能實驗。實驗發現活化程度高的ACF對甲醇蒸氣表現出較高的吸附能力。P.Navarri等對二甲醛和乙酸乙酯利用炭纖維材料進行吸附處理,著重研究了不同碳纖維、纖維層數、不同氣體以及氣體濃度間的關系,取得了較好的效果。ACF吸附容量大而且脫附速度快,在溶劑回收方面也得到應用。在回收質量分數為2000×10-6的含酮混合溶劑中,回收率達98%,在回收丙酮、二氯乙烯、三氯乙烯的應用中,回收率均高于97%。

        5 前景展望

        活性炭纖維是一種用途廣泛,極具前景的新材料,正逐步從實驗室走向工業應用。國際上,ACF應用在廢水處理中的研究較多,而對氣體的處理主要是應用在空氣凈化、除臭等方面,隨著對ACF的形成機制與吸附機理所深入研究,技術不斷進步,ACF在處理揮發性有機廢氣方面將得到更為廣泛的使用。自1962年美國專利首次涉及,隨后美國ORNL使用活性炭纖維過濾放射性碘輻射以來,美國、英國、前蘇聯、特別是日本,是研究和使用ACF的大國,年產量近千噸。國內的ACF研究起始于80年代末期,到90年代后期陸續出現工業化裝置。但活性炭纖維由于其價格是粒狀活性炭的10倍以上,如活性碳纖維氈的售價比表面積為1200~1400m2/g,每公斤為360元左右;比表面積1400~1600m2/g,售價為430元左右。因此ACF價格的居高不下始終是限制其廣泛應用的主要因素。低成本、高密度、高強度的活性炭纖維應是今后研究開發的重點。如A。B。Fuertes等用廢棄的聚合物纖維經過一定加工與活化過程,制成了一種吸附性能優良的整體活性碳纖維,大大降低了生產成本。國外對ACF的應用已進入規?;a,目前我國還處于研究中試階段,相信隨著生產成本的降低以及表面結構與性能的深入研究,ACF將在環保材料中占有越來越重要的地位。

         

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