嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鲬?yīng)用機(jī)理研究

高 濤 張維田

（唐山嘉恒實(shí)業(yè)有限公司，河北 唐山 063020）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境污染問題的重視程度及空氣的品質(zhì)要求不斷提高；隨著工業(yè)的發(fā)展和城市的不斷擴(kuò)大，我們身邊有害氣體的濃度也在增加，而人們對(duì)空氣的潔凈度要求也在逐年提高，由于活性碳材料可以有效清除氣體污染物，因此在煙氣凈化方面得以大量應(yīng)用。唐山嘉恒實(shí)業(yè)有限公司實(shí)用新型專利—嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋髟跓煔鈨艋?、水處理等方面較傳統(tǒng)處理方式優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用前景廣闊。

1 活性碳材料[1-3]

活性碳材料，是一種具有多孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部比表面積大的材料。由于其表面積大、呈微孔結(jié)構(gòu)、吸附能力高強(qiáng)和表面活性高而成為獨(dú)特的多功能吸附劑，且其價(jià)廉易得，部分還可再生活化，同時(shí)它可有效去除廢水、廢氣中的大部分有機(jī)物和某些無機(jī)物，所以它被世界各國廣泛地應(yīng)用于污水廢氣處理、空氣凈化、回收稀有金屬及溶劑等環(huán)境保護(hù)和資源回收領(lǐng)域?；钚蕴挤譃榱罨钚蕴?、粉末活性碳及活性碳纖維，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生復(fù)活而被限制利用。

活性碳材料中有大量肉眼看不見的微孔，其中絕大部分微孔的孔徑在5-500埃（1埃=1×10-10米，以下同）之間，單位材料中微孔的總內(nèi)表面積可以高達(dá)700-2300m2/g，也就是說，在一個(gè)米粒大小的活性碳顆粒中，微孔的內(nèi)表面積相當(dāng)于一個(gè)大客廳墻面的大小。

根據(jù)材料的處理方法，活性碳吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附?jīng)]有明顯的化學(xué)反應(yīng)，它主要依靠范德華力。化學(xué)吸附是經(jīng)過化學(xué)處理而使材料與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的吸附，它的原理是：活性碳靠范德華力抓到氣體分子，材料上的化學(xué)成分與污染物起反應(yīng)，生成固體成分或無害的氣體。

1.1 粒狀活性碳（GAC-granular activated carbon）

GAC的85%-90%用于水處理和氣體吸附處理，它的粒徑為500-5000μm,GAC的孔結(jié)構(gòu)一般是具有三分散態(tài)的孔分布，既具有按國際純粹與應(yīng)用化學(xué)會(huì)（IUPAC）分類的孔徑＞50nm的大孔，也有2.0-50nm的中孔（過渡孔）和＜2.0nm的微孔[5-7]。

由于GAC的孔狀結(jié)構(gòu)所致，它的吸附速度較慢，分離率不高，特別是它的物理形態(tài)使其在應(yīng)用和操作上的有諸多不便，限制了GAC的應(yīng)用范圍。

1.2 活性碳纖維（ACF-activated carbon fiber）[8-9]

ACF是繼粉狀與粒狀活性碳之后的第三代活性碳產(chǎn)品。70年代發(fā)展起來的活性碳纖維是隨著碳纖維工業(yè)發(fā)展起來的一種新型、高效的吸附劑。

ACF是多孔碳家族中具有獨(dú)特性能的一員，與傳統(tǒng)的粒狀活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特點(diǎn)：

1）ACF與GAC的孔結(jié)構(gòu)有很大的差異，如圖1和圖2所示。ACF的孔分布基本上呈單分散態(tài)，主要由小于2.0nm的微孔組成，且孔口直接開口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短，纖維直徑細(xì)，故與被吸附物質(zhì)的接觸面積大，增加了吸附幾率，且可均勻接觸。

圖1 ACF和GAC的孔結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The of Pore structure model ACF and GAC

圖2 ACF和GAC的孔徑分布Fig.2 Pore size distributions of ACF and GAC

2）比表面積大，最大可大2500m2/g，約是GAC的1.5-100倍；吸附能力為GAC的400倍以上；吸附、脫附速度快，ACF對(duì)氣體的吸附數(shù)十秒至數(shù)分鐘可達(dá)平衡。

3）ACF孔徑分布范圍窄，絕大多數(shù)孔徑在100埃以下，GAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有微孔、過渡孔和大孔之分，而ACF的結(jié)構(gòu)只有微孔及少量的過渡孔，沒有大孔，并且孔徑均勻，分布比較狹窄，為0.1-1nm，這是ACF吸附選擇性較好的原因。

4）ACF不僅對(duì)高濃度吸附質(zhì)的吸附能力明顯，對(duì)低濃度吸附質(zhì)的吸附能力也特別優(yōu)異，如當(dāng)甲苯氣體含量低到10ppm以下時(shí)，ACF還能對(duì)其吸附，而GAC必須高于100ppm時(shí)方能吸附。

5）耐熱、耐酸堿；具有很強(qiáng)的氧化還原特性，可將高價(jià)金屬離子還原為低價(jià)態(tài)。

6）體積密度小，濾阻小，約是GAC的1/3?？晌秸扯容^大的液體物質(zhì)，且動(dòng)力損耗小。

而且ACF易再生，工藝靈活性大（可制成紗、布、氈和紙等多種制品）；以及不易粉化和沉降等特征，這些特征有利于吸附和脫附，使得ACF對(duì)各種有機(jī)化合物具有較大的吸附量和較快的吸、脫附速度。

吸附劑的吸附性能由吸附劑的比表面積、吸附劑的孔隙直徑來決定，其吸附性能的值log[(C0-C)/C]可由下式計(jì)算求得：

log[(C0-C)/C]=0.0064S-0.123D-0.935

式中：C0——初始濃度；

C——平衡濃度；

S——吸附劑的比表面積（m2/g）；

D——吸附劑的孔隙直徑（nm）。

由上式可見，吸附劑的比表面積越大其吸附能力也越大，吸附劑的孔隙直徑越小具有的吸附能力則越大。吸附劑活性碳纖維最顯著的特點(diǎn)是具有非常發(fā)達(dá)的比表面積（1000m2/g-3000m2/g）和豐富的微孔，微孔的體積占總孔體積的90%以上，微孔直徑約為10埃左右，故其吸附能力大。它對(duì)硫醇類惡臭氣味化合物及苯酚和亞甲基蘭等離子具有特殊的吸附能力，且其表面具有疏水性，對(duì)水蒸氣吸附親和性小，對(duì)空氣中的有害氣體、臭氣，特別是有機(jī)化合物具有較高的去除效率，適于吸附和脫附頻繁的廢水處理和空氣凈化等。ACF被認(rèn)為是21世紀(jì)最優(yōu)秀的環(huán)境材料之一。在氣體和液體凈化，有害氣體及液體吸附處理等方面已得到廣泛應(yīng)用。

ACF是非常有發(fā)展前途的高效吸附材料，無論污染物質(zhì)是微量級(jí)還是高濃度，都可采用ACF進(jìn)行吸附處理，達(dá)到滿意效果，根據(jù)需要可加工成絲、紙、氈、布等形式，在很多領(lǐng)域中都將取代粒狀活性碳。嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋骶哂形叫矢?、脫附再生快、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，在煙氣凈化、廢水處理等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

2 嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鬟^濾性能分析[10-13]

影響活性碳?xì)謨艋魑叫Ч褪褂脡勖闹饕蛩赜校何廴疚锏姆N類和濃度、氣流在過濾材料中的滯留時(shí)間、空氣的溫度和濕度。嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋?，不但能過濾空氣中的細(xì)微顆粒，而且對(duì)酸性氣體、堿性氣體、惡臭、甲醛、苯等苯類、酚類、醇類、酯類、醛類等有機(jī)氣體和含有微量重金屬的低濃度、大風(fēng)量的各類氣體有很好的吸附效果。嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋髟谶^濾時(shí)的壓力損失小，吸附和脫附速度快，故可大量應(yīng)用于氣體的凈化。

2.1 對(duì)氨氣的過濾性能對(duì)比

將粒狀活性碳過濾器和嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鬟M(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋髋c粒狀活性碳過濾器除臭（氨氣）性能對(duì)比Tabl.1 The deodorization(ammonia)performance comparison of Jiaheng box type active carbon fiber felt cleaner and granular activated carbon filter

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鲗?duì)氨氣的去除率較粒狀活性碳過濾器高，且再生性能明顯優(yōu)于粒狀活性碳過濾器。同時(shí)嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋骺朔肆罨钚蕴歼^濾器對(duì)低濃度介質(zhì)難以吸附及難以再生的缺點(diǎn)。

2.2 對(duì)甲醛氣體的吸附性能對(duì)比

在范德華力的作用下，當(dāng)相距很近的相對(duì)孔壁的吸附場發(fā)生疊加，引起微孔內(nèi)吸附勢(shì)的增加，因此在較低相對(duì)壓強(qiáng)（低濃度）和較短的時(shí)間內(nèi)就基本完成了吸附，也就是說，低濃度下吸附量高，如圖3所示。

圖3 活性炭吸附甲醛時(shí)的等溫吸附線Fig.3 Adsorption isotherm of activated carbon adsorption of formaldehyde

2.3 嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鲗?duì)SO2、NOx的過濾

嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鞯淖枇εc風(fēng)道風(fēng)速成直線關(guān)系；對(duì)SO2、NOx的去除效率隨過濾器的風(fēng)量而變化。并隨去除時(shí)間的延長而增大，最后逐漸趨于平緩趨勢(shì)。嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鞯淖罴褳V速不隨污染濃度的改變而變化。

2.4 嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鲗?duì)二噁英類物質(zhì)的吸附

二噁英主要以顆粒狀態(tài)存在于煙氣中或者吸附在飛灰顆粒上，因此為了降低煙氣中二噁英的排放量，就必須嚴(yán)格控制粉塵的排放量。布袋除塵器對(duì)1μm以上粉塵的去除效率達(dá)到99%以上，但是對(duì)超細(xì)粉塵的去除效果不是十分理想，但活性碳?xì)值膹?qiáng)吸附能力可以彌補(bǔ)這項(xiàng)缺陷，由于活性碳?xì)值奈侥芰h(yuǎn)大于粒狀活性碳，因此嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鲗?duì)超細(xì)粉塵及其吸附的二噁英的捕集效率要高于傳統(tǒng)粒狀活性碳。

2.5 嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鲗?duì)煙氣中重金屬元素的吸附

煙氣中重金屬主要以氣態(tài)或吸附態(tài)形式存在。氣化溫度較高的重金屬及其化合物在煙氣處理系統(tǒng)降溫過程中凝結(jié)成粒狀物質(zhì)，然后被除塵設(shè)備收集去除；氣化溫度較低的重金屬元素?zé)o法充分凝結(jié)，但飛灰表面的催化作用可能使其轉(zhuǎn)化成氣化溫度較高、較易凝結(jié)的金屬氧化物或氯化物，從而被除塵設(shè)備收集去除；仍以氣態(tài)存在的重金屬物質(zhì)，將被嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋魇占コ?/p>

3 未來市場展望[14-15]

在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，隨著人們對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量要求提高，空氣凈化技術(shù)也迅速地發(fā)展起來，性能卓越的嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋饔捎趦艋瘯r(shí)具有壓力損失極小，吸附與脫附速度快，耐振動(dòng)，不產(chǎn)生粉塵，可脫附再生，無污染等優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必將得到大力的推廣和應(yīng)用。我國活性碳?xì)謨艋鞯拈_發(fā)還處于初始階段，其應(yīng)用領(lǐng)域還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有打開，在廢水處理，空氣凈化，化學(xué)物質(zhì)的吸附應(yīng)用方面其市場開發(fā)的潛力極大。隨著環(huán)境保護(hù)各項(xiàng)法規(guī)的進(jìn)一步建立、完善和綠色化學(xué)時(shí)代的到來，嘉恒箱式活性碳?xì)謨艋鞅貙⒊尸F(xiàn)光明的發(fā)展前景。

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