活性炭纤维对丁酮废气的吸附和再生性能研究

活性炭纤维对丁酮废气的吸附和再生性能

*

研究

王琳玲1，周海燕1，蒋伟1，杨旭东2，范飞飞2，陈静1，陆晓华1

（1华中科技大学环境科学研究所，湖北 武汉 430074；

2

武汉旭日华科技发展有限公司，湖北 武汉 430074）

摘要：研究了粘胶基活性碳纤维（ACF ）对丁酮废气的动态吸附行为、吸附条件及水蒸气解吸再生性能等，包括进气浓度、气流速度、ACF 填充量、水蒸气再生条件对活性炭纤维吸附丁酮过程的影响。研究结果表明，高浓度、低流速、高填充量均有利于吸附；ACF 经水蒸汽解吸、空气吹脱，可实现ACF 的再生。 关键词：活性炭纤维；丁酮；吸附；再生

APPLICATION AND STUDY ON ADSORPTION OF BUTANONE BY ACTIVATED CARBON FIBRE

WANG Lin-ling1, ZHOU Hai-yan1, JIANG Wei1, YANG Xu-dong2, FAN Fei-fei2, Chen Jing1, LU

Xiao-hua 1

( 1Research Institute of Environmental Science, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

2

Wuhan Xurihua Science and Technology Development Co., Ltd, Wuhan 430074, China )

Abstract : Activated carbon fiber (ACF) was used as as adsorption material to study the dynamic adsorption of butanone organic waste gas. The influence of butanone inlet concentration, gas flow rate, ACF loading, and the times of vapour regeneration on adsorption efficiency was investigated. The results showed that high concentration, low gas flow rate and high ACF loading were good for adsorption. Moreover, ACF could be regenerated by vapour desorption and air stripping. Key Words: activated carbon fiber (AFC); butanone; adsorption; recycle

丁酮是一种优良的有机溶剂和有机合成原料，广泛用于涂料、造纸、印刷、纺织和合成橡胶等工业[1]。丁酮对人的眼、鼻、咽喉有刺激作用，长期接触可致皮炎[2]，甚至造成遗传毒性。所以在生产、使用过程中，对丁酮的处理十分重要，应使其尽可能得到回收，实现达标排放。

丁酮废气的常规处理工艺采用水喷淋吸收法，喷淋后的尾气直接排入大气，该吸收法丁酮回收率通常小于70％，不仅回收率低，而且处理后的尾气往往难以达标[3,4]。近年来采用颗粒活性炭（GAC ）及活性炭纤基金项目：国家自然科学基金项目(21077038)，国家高技术研究发展计划（863）项目（2012AA06A304），华中科技大学校基金项目（2013QN065）

维（ACF ）为吸附材料的废气吸附回收技术得到了应用[5,6]。其中ACF 由于其具有含碳量高、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等特点，对于小分子的气体溶剂具有更好的吸附和脱附性能[4,5]。

本文采用自行研制的有机废气吸附回收小试装置对模拟丁酮废气进行了动态吸附回收实验研究，主要探讨了丁酮气体浓度、流速、ACF 的填充量、含水率以及水蒸气再生等条件对其吸附效率的影响。 1 实验部分 1.1 实验材料

实验用碳材料为江苏苏通碳纤维有限

公司生产的有机溶剂专用活性碳纤维毡（STF-1300T ）。采用比表面孔径测定仪（美国ASAP2020）测定ACF 的比表面积和孔结构参数。分别采用国家标准方法GB/T7702.6-1997和GB/T12496.8-1999测得该ACF 的亚甲蓝吸附值240 mg/g和碘吸附值1140 mg/g。 1.2测定方法

气体和水蒸气解吸液中的丁酮浓度均采用GC-9790 II 气相色谱仪（GC-FID ）测定。以 ACF 对丁酮的吸附率为 90% 的吸附时间为穿透时间，相应的吸附量为穿透吸附量。以吸附效率降为10%的吸附时间为饱和吸附时间，相应的吸附量为饱和吸附量。ACF 对丁酮的吸附量采用称重法获得。 1.3实验流程

采用不锈钢材料加工制作了一套有机废气吸附回收小试装置，如图1所示。采用动态配气法，由空气泵鼓吹的空气流经有机溶剂鼓泡产生高浓度有机气体，通过调节流量计和水浴温度可以控制进入吸附器的进气流量和浓度，吸附前后的有机气体浓度用GC-FID 在线分析。吸附器的内径为8 cm，内部装填ACF ，外层夹套可通入循环水，调节吸附器夹套中的水温可控制吸附和脱附时的床层温度。气体吸附饱和后，采用水蒸气解吸，再通入空气吹扫。气流方向均为自下而上。

图1 实验装置工艺流程图

Fig 1 Process chart of experiment equipment

1-空气泵；2-转子流量计；3-干燥器；4-鼓泡甁；5-缓冲瓶；6-恒温水浴锅；7-吸附器；8-温度计；9-压力表；10-蒸汽过热器；11-调压器；12-蒸汽发生器；13-冷凝器；14-接受瓶；15-水泵；16-水槽；17-配电柜；18-排污口；19-放空口；20-取样口；21-加料

口；22-金属管浮子流量计

1-Air pump; 2-Rotameter; 3-Dryer; 4-Bubbling flask; 5-surge flask; 6-Thermostat water bath; 7-Adsorber; 8-Thermometer; 9-Pressure meter; 10-Vapour superheater; 11- Pressure regulator; 12-Vapour generator; 13-Condensator; 14-receiving flask; 15-Water pump; 16-Water channel; 17-Power distribution cabinet; 18-Drain outlet; 19-Vent nozzle; 20-Sample tap; 21-Feed inlet; 22-Metal tube rotameter

2 结果与讨论

2.1 ACF的氮气吸附性能及孔结构特征

ACF 对氮气的吸附为渐进的过程，首先在尺寸较小的微孔孔隙内发生，然后再逐渐扩及到较大的孔隙。图2是本实验用ACF 材料在77.4 K对氮气的吸附和解吸等温线。由图可知该材料的吸附等温线属于BDDT 五类等温线[7]中的I 型等温线。吸附等温线的初始部分代表氮气在吸附材料微孔中的填充过程，而其吸附平台的斜率可能是由于其结构中存在少量中孔，及其外表面积在相对较高压力下发生毛细凝聚所致。由此可知该ACF 以微孔为主，并计算得到ACF 的比表面积（BET ）为1100 m2/g，平均孔径1.96 nm ，在相对压力为0.99时的总孔容积为0.539 mL/g。此外，由解吸等温线可知，在较大的相

对压力下，解吸速度较快，在相对压力小于0.5后，解吸等温线与吸附等温线基本重合，表明吸附解吸是可逆过程。由于ACF 的微孔大部分在表面，吸附和再生时吸附质扩散的路程相对来说很短，因而吸附和再生速率快，且可以在较缓和的条件下再生。

Q u a n t i t y A d s o r b e d (m L /g )

Relative Pressure (P/Po)

图2 氮吸附和解吸等温线

Fig 2 Nitrogen adsorption and desorption isotherm

Freundlich

2.2 丁酮吸附等温线

在室温25℃，流量为1.5 m 3/h，活性炭纤维用量为20 g的条件下，测定不同进气浓度下，活性炭纤维对丁酮模拟废气的吸附穿透曲线，结果见图3。从图中可以看出，随着丁酮进气浓度的增加，穿透和平衡吸附时间都会缩短，这是因为进口浓度越大，吸附传质越快，单位时间内进入活性炭纤维孔隙内的分子越多，越容易饱和。当进气浓度低至1 g/m3时，ACF 仍能长时间的高效吸附，其吸附饱和的时间增长。由于ACF 的微孔尺寸与有机化合物分子尺寸大体相当，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[8]。

分别用Langmuir 和Freundlich 方程对丁酮的吸附等温线进行拟合，拟合方程式及相关参数的计算值见表1。结果表明，Freundlich 和Langmuir 方程均能很好的拟合ACF 对丁酮的吸附实验结果，相关系数大于0.98，说明丁酮在ACF 上的吸附过程主要是物理吸附，在其表面主要形成单分子层吸附。

1

lg q =lg c +lg k

n

lgq=0.1324 lgc+2.42

k ＝

0.997 263；n

＝7.55

-1

q -平衡吸附量（mg(丁酮) ·(g(ACF))），c -丁酮的平衡浓度（g ·(m3) -1），K -Langmuir 公式的常数，q m -最大吸附容量

-1

（mg(丁酮) ·(g(ACF))），k 和n-Freundlich 公式的常数

q-Equilibrium adsorption capacity (mg(butanone)/g (ACF)), c: equilibrium concentration of butanone (g·(m3) -1), K-Constant of Langmuir equation, q m -Maximum adsorption capacity

-1

(mg(butanone)·(g(ACF))), k and n-Constants of Freundlich equation

2.3 气体流量对吸附效率的影响

在吸附温度25℃，进气压力2.5 kpa ，浓度5.6 g/m3，活性炭纤维用量为30 g的条件下，调节气体流量，测定不同吸附时间时丁酮的出口浓度，研究不同的气体流量对吸附行为的影响，吸附结果如表2所示。该结果表明，随着气体流量的减小，丁酮与ACF 的接触时间增长，吸附效率增高，吸附穿透时间延长；穿透吸附量也增大。所以在实际工程中，应尽可能采用低流速吸附。

表2气体流量对ACF 吸附丁酮气体的影响

Table 2 The effect of gas flow on the adsorption of butanone by

气体流量 （ m 3·h -1）

3.0

穿透时间 （min ） 20 40 60

穿透吸附量 （mg·g -1）

190 240 270

c e x i t /c i n t l e t

2.0 1.5

Time (min)

图3 不同进气浓度下丁酮的吸附穿透曲线 Fig 3 Breakthrough curve of butanone with different inlet

concentrations

表1 Langmuir 和Freundlich 方程的拟合结果 Table1 The fitting results of Langmuir and Freundlich equations

线性

类型

公式

线性回归方程

相关系数r

Langmuir

参数

2.4 ACF填充量对丁酮吸附的影响

固定其它条件不变，研究ACF 的填充量对丁酮吸附行为的影响，实验结果如表3所示。由表可知，随着ACF 填充量的增加，吸附床层增高，丁酮与ACF 的接触时间延长，吸附穿透时间延长，单位质量的穿透吸附量也随着ACF 填充量的增加而增大。所以在实际生产过程中，为了取得较好的吸附效果，应该在设备允许的条件下，尽可能增加ACF 的填充量。

表3 ACF填充量的影响实验结果 1111 =∙+q q m K c q m

1/q =0.0014 (1/c ) ＋0.0027

0.988

q m ＝370；K =1.93

ACF 用量 （g ） 30

穿透时间 （min ） 20

穿透吸附量 （mg/g） 190

50 80

80 90

260 270

2.5水蒸汽解吸再生

当进气浓度为5.6 g/m3，气体流速为3.0 m3/h，填充活性炭纤维为50 g 时，进行ACF 的吸附-水蒸汽解吸再生实验。对已完成吸附的ACF 用水蒸汽解吸1 h ，然后通入空气约1 h 对ACF 进行脱水；再对再生后的ACF 进行二次吸附。在相同的实验条件下反复再生三次，三次再生的结果如表4所示。结果表明，采用干燥的ACF 进行第一次吸附和解吸的时候，饱和吸附质量较大。采用106℃水蒸汽进行解吸，丁酮解吸量约为吸附量的72%。经水蒸汽解吸-空气脱水后的ACF 进行第二次和第三次吸附实验时，ACF 对丁酮的吸附质量和解吸质量均有所减小。该结果表明水蒸汽可将ACF 表面的吸附的丁酮解吸下来，再生ACF ，但再生效果可能受解吸温度、解吸流速、解吸后空气脱水干燥的程度等影响。

表4 ACF对丁酮气体的多次吸附-水蒸汽再生 Table 4 The performance of ACF after repeated butanone

再生次数

饱和吸附质量

（g ）

第1次吸附 第1次再生后 第2次再生后

50 45 39

解吸质量 (g) 36 31 26

解吸百分比 （%） 72.0 67.4 66.7

所示。由图可知，由于单纯采用自下而上的空气脱水模式，吸附器中底层及最上层表面的ACF 圆片中，ACF 含水率较小，而中上层的ACF 圆片中含水率仍较高。由于ACF 上残留的水分会占据活性炭纤维表面的微孔，减少吸附位点，从而影响吸附能力。因而为了提高ACF 的再生能力，实际工程设计中可通过延长空气脱水时间，或在吸附床层的不同位置增设空气进气口，或改变气流方向等方式，以尽量减少ACF 中残留的水分，以提高ACF 的再生性能。

3 结论

ACF 具有较好的吸附-再生性能，丁酮在ACF 上的吸附过程主要是物理吸附，丁酮的进气浓度、气流速度、ACF 填充量、ACF 再生次数均会影响ACF 吸附效率。高浓度、低流速、高填充量均有利于吸附。采用较为安全的水蒸气再生方法，提高水蒸气解吸温度、流速及空气脱水效率能增强ACF 再生后的吸附能力。

参 考 文 献

[1] 夏元洵, 主编. 化学物质毒性全书[M]. 上海: 上海科学技术文献出版社, 1991: 454-455.

[2] 刘振宇, 郑经堂, 王茂章. PAN基活性炭纤维[C]. 第16届炭-石墨材料学术会议论文集. 1996. 221.

[3] 贺福, 马谦中. 活性炭纤维工业的长足发展. 新型炭材料[J]. 1992, (1): 11-13.

[4] 李宝瑛, 顾有伟, 李玉珍. 用活性碳纤维 (ACF) 回收1,2一二氯乙烷废气的研究[J]. 新型炭材料, 1996, (11):4-7.

[5] 杨娇兰, 赵炳成, 曹守仁. 活性炭纤维对NO 2气体动态吸附研究[J]. 环境与健康杂志, 1997, 14 (3): 111-116.

[6] 陶阳宇, 康娟, 徐泽林, 等. 活性炭纤维对氯仿气体动态吸附的研究[J]. 环境工程, 2007, 25(4): 44-46.

[7] Brunauer S, Deming L, Deming W, Teller E. On a Theory of the van der Waals Adsorption of Gases [J]. Journal of the American Chemical Societiy, 1940, 62(7): 1723-1732.

[8] 王成扬, 冯丽萍, 何菲. 活性炭纤维的表面特性及其对有机蒸汽的吸附研究[J]. 碳素, 1999(4): 3-7.

作者简介：王琳玲（1976-），女，副教授，主要研究方向为环境监测与

污染控制化学，Email ：[email protected]；

杨旭东，男，45岁，高级工程师，武汉旭日华科技发展有限公司

总经理，毕业于武汉华中科技大学。主攻有机溶剂废气、废液的回收与精制。潜心研究15年，拥有丰富的理论知识及实践经验；

范飞飞，男，38岁，武汉旭日华科技发展有限公司技术总监，毕

业于武汉化工学院。主攻有机溶剂废气、废液的回收与精制。

图4 吸附器中ACF 含水率的分布图（ACF 圆片编号从上

至下1-50）

Fig. 4 moisture distribution diagram of ACF in adsorber ( The serial

numbers of ACF slices were identified 1 to 50 from top to bottom)

为验证实验条件下ACF 中是否有残留水分，在ACF 经水蒸气解吸后，从吸附器中全部取出，对每个ACF 圆片逐一进行含水率的测定，结果如图4