瀝青基活性碳纖維對(duì)甲苯廢氣的吸附及再生效果

楊東艷

摘 要：以通用級(jí)的瀝青級(jí)碳纖維為原料，借助鈷鹽催化活化法，改變活化劑的用量和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同活性碳纖維的制備。對(duì)活性碳纖維的動(dòng)態(tài)吸附甲苯和再生性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示：活性碳纖維具有吸附甲苯的優(yōu)秀特性，飽和和吸附量同其表面積和孔徑分布存在聯(lián)系?；钚蕴祭w維對(duì)甲苯的動(dòng)態(tài)吸附量在1 250 mg/g以上。實(shí)行20次的吸脫附循環(huán)再生后，吸附量還能保持在900 mg/g上。

關(guān)鍵詞：瀝青基；活性碳纖維；甲苯；吸附；再生效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ342.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）06-0177-02

吸附物質(zhì)的選擇，活性碳纖維是一種多孔的纖維吸附材料，表面積較大并且其孔隙在其表現(xiàn)可以直接打開(kāi)，因此有著吸附容量高、脫附速度高和極易再生的特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使的人們對(duì)該材料的甲苯吸附能力產(chǎn)生研究。對(duì)聚丙乙烯腈溶液進(jìn)行了碳活化以及靜電紡等措施，最終制備出了納米活性碳纖維，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲苯的動(dòng)態(tài)吸附量在650 mq/q。在Lillo-Rodensas的研究借助了KOH活性無(wú)煙煤，在這一制備過(guò)程中，得到的活性碳纖維對(duì)甲苯的動(dòng)態(tài)吸附達(dá)到了560mg/g。在我國(guó)工業(yè)的逐漸興起和發(fā)展中，越來(lái)越多的揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中的排放量增多，在這些有機(jī)物性氣體中，甲苯一直被認(rèn)為是一種比較典型的有機(jī)物種類(lèi)，存在強(qiáng)大的毒性和致癌性，就算是在濃度較低的情況下，同樣會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的生物污染和危害。當(dāng)前針對(duì)甲苯氣體的解決方法主要依靠吸附方法。該種方法是最簡(jiǎn)單、有效、環(huán)保、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。[1]

1 瀝青基活性碳纖維的研究過(guò)程

1.1 研究原料、設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中主要以通用級(jí)的瀝青碳纖維作為原料，TP-2060F型氣相色譜儀，氫火焰離子化檢測(cè)器。不銹鋼填充柱，長(zhǎng)度為 1 m，內(nèi)徑為3 mm，溫度內(nèi)120 ℃，氣化溫度內(nèi)1 250 ℃，檢測(cè)室室內(nèi)溫度為150 ℃，載氮?dú)?；ASAP2 000 M型物理吸附儀。

1.2 制備方法和過(guò)程

在電子天平中精確稱(chēng)定量瀝青基活性碳纖維，將其艦炮在鈷鹽溶液中，在鈷鹽溶液中取出后實(shí)行干燥；將水蒸氣作為實(shí)驗(yàn)的活化劑，在900攝氏度的高溫下將水進(jìn)行活化，利用稀鹽酸對(duì)碳纖維進(jìn)行清洗，再使用離子水進(jìn)行情緒，隨后采用去離子水清洗，烘干后作為備用。在1 h的火化后，活化計(jì)量分別為 20 mL/h、40 mL/h、60 mL/h，最終樣品可被記為A、B、C。活化時(shí)間延長(zhǎng)至80分鐘，實(shí)驗(yàn)中通水量增加到60 mL/h，記為D。

1.3 吸附能力和表面積和孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系的測(cè)試

在低溫氮?dú)鈼l件下，測(cè)定活性碳纖維的三種樣品A、B、C、D性質(zhì)，畫(huà)出等溫吸附曲線圖。按照BET方法對(duì)比表面積進(jìn)行計(jì)算，采用D-A法計(jì)算平均孔徑，采用密度函數(shù)理論（DFT）計(jì)算孔徑分布。

1.4 活性炭甲苯動(dòng)態(tài)吸附

采用連續(xù)進(jìn)樣方法對(duì)甲苯的吸附穿透曲線進(jìn)行測(cè)定。精確稱(chēng)取20 mg的活性碳纖維，在內(nèi)徑為φ8不銹鋼柱實(shí)行均勻填充，程度為20 mm。同時(shí)要對(duì)氮?dú)饬髁窟M(jìn)行調(diào)節(jié)，最終調(diào)配成為甲苯和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，并且要保證吸附柱的連續(xù)性吸入。將吸附柱的出口同氣相色譜儀的進(jìn)口實(shí)行連接，采用氫火焰檢驗(yàn)出口的甲苯濃度。在活性碳纖維的飽和狀態(tài)條件下，獲得穿透曲線圖。

借助外標(biāo)，并法通過(guò)式（1）來(lái)計(jì)算甲苯進(jìn)口的濃度。

C0=■（1）

式中，C0指甲苯進(jìn)口濃度，g/mL；V1代表外標(biāo)法中基本的進(jìn)樣量mL；P1是穿透曲線的終點(diǎn)響應(yīng)值，單位是mV；S1代表了甲苯相應(yīng)峰值面積，mV·min；？籽甲苯代表著甲苯密度，g/mL；V2指氣體的總流量，mL·min。

計(jì)算活性碳纖維的甲苯吸附量，需要采用Origin7.0Professional軟件進(jìn)行，穿透曲線和縱坐標(biāo)圍成的面積可以借助式（2）計(jì)算得出：

q=■（2）

其中，q為活性碳纖維吸附甲苯的量，單位g/g；V1代表的是外標(biāo)法中算得的甲苯進(jìn)樣量，ml；S測(cè)代表樣品吸附面積，mV·min；m為吸附柱樣品質(zhì)量，g；S1為V1甲苯相應(yīng)峰面積，mV·min。

甲苯出口的濃度在下面的（3）式中可以計(jì)算得到：

C=■（3）

式中，C為出口濃度，mg/mL；R代表氣相色譜的響應(yīng)值， mV；V1外標(biāo)法甲苯下的進(jìn)樣量，ml；S1是V1為響應(yīng)峰值面積， mV·min。

1.5 活性炭再生功能

吸附劑對(duì)甲苯的吸附狀態(tài)達(dá)到飽和后，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)繼續(xù)循環(huán)使用，就會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和二次污染，在經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)保角度，吸附劑的再生性能和其吸附性能研究同樣十分重要。吸附劑的再生循環(huán)利用已經(jīng)成為了判斷其自身性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。[3]在Debasish等人的研究中，采用了加熱法對(duì)載甲苯活性炭纖維再次進(jìn)行處理，在實(shí)施了20次的吸脫循環(huán)中，活性碳纖維吸附能力變化不大。華南理工大學(xué)學(xué)者張小平等人的研究中，進(jìn)行膠基活性炭的基本吸附和再生研究等。但是關(guān)于瀝青基活性碳纖維對(duì)甲苯的吸附和再生性能研究相關(guān)報(bào)道比較少。文中將廉價(jià)的通用瀝青基碳纖維作為實(shí)驗(yàn)的原始材料，在鈷鹽浸漬結(jié)合途徑和蒸汽活化后得到了活性碳纖維，動(dòng)態(tài)吸附甲苯的性能以及再生循環(huán)性能實(shí)施了研究。

活性碳纖維的再生功能研究要實(shí)行以下步驟：在活性碳纖維的飽和狀態(tài)下，將吸附裝置開(kāi)關(guān)打開(kāi)，在恒溫裝置中逐漸升高吸附柱中的高度，實(shí)施脫附措施需要在高度純凈的氮?dú)鈼l件下進(jìn)行，同時(shí)還要穩(wěn)定甲苯在出口處的濃度，最終將整合過(guò)程實(shí)現(xiàn)完結(jié)，并將吸脫過(guò)程中的步驟進(jìn)行重復(fù)，并最終完成整個(gè)步驟，將吸脫記為一個(gè)循環(huán)。

2 研究結(jié)果和分析

2.1 分析活性碳纖維甲苯吸附能力

三種活性碳纖維樣品在18 ℃下的甲苯動(dòng)態(tài)吸附穿透曲線，如圖1所示，圖1中顯示了活性碳纖維對(duì)甲苯的穿透曲線形狀居于高度的相似性，形狀都是典型的倒Z字形，并且顯示了穿透曲線經(jīng)歷的穿透過(guò)程耗時(shí)較短。

為了進(jìn)一步對(duì)活性碳纖維的表面積以及孔徑的分布進(jìn)行研究，以及其同甲苯吸附性能的關(guān)系，借助ASAP2 000 M物理吸附儀，對(duì)氮?dú)鈼l件下的活性碳纖維的等溫吸附曲線實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，根據(jù)吸附等溫曲線求出基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.2 再生性能分析

活性碳纖維D的吸附穿透曲線，如圖2所示，可以得知在20個(gè)吸附過(guò)程中，D材料對(duì)甲苯仍舊具有十分優(yōu)越的吸附性能，吸附曲線的形狀沒(méi)有過(guò)大的變換，充分說(shuō)明了在活性碳纖維D的空隙結(jié)果沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明了在加熱再生法條件下制備的活性碳纖維D性能不受影響。

2.3 活性碳纖維在近似條件下的對(duì)比

本次實(shí)驗(yàn)和相似實(shí)驗(yàn)條件的高活性碳纖維和再生活性碳纖維性能實(shí)行對(duì)比。新活性碳纖維的實(shí)驗(yàn)條件為：室溫24 ℃環(huán)境下的1.00 g活性碳纖維的填充高度為70 mm； 甲苯流量為 0.4 m3/h；甲苯的進(jìn)口平均濃度為98.5 mg/m3，一次性脫附過(guò)程實(shí)驗(yàn)條件改變成為：室溫環(huán)境22 ℃；活性碳纖維質(zhì)量1.00 g，維持70 mm填充高度；甲苯流量維持在0.4 m3/h；進(jìn)口甲苯濃度平均值為110.89 mg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯示，活性碳纖維在經(jīng)歷一次性的脫附操作后，和未實(shí)施脫附的干燥纖維對(duì)比，吸附能力更強(qiáng)，飽和時(shí)間也得到了一定延長(zhǎng)，穿透時(shí)間也更加長(zhǎng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

瀝青基活性碳纖維對(duì)甲苯的動(dòng)態(tài)吸附量同表面積和孔徑之間存在聯(lián)系；在鈷鹽催化條件下制備的活性碳纖維吸附能力良好，速度快飽和吸附量較高；瀝青基活性碳纖維可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，在經(jīng)過(guò)多次吸附脫附后，吸附甲苯的能力依然較高。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，根據(jù)工廠的廢氣排除以及流量和濃度等，可以對(duì)正交實(shí)現(xiàn)的大致性作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對(duì)活性碳纖維的用量和填充高度靈活設(shè)置，基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)一步方法實(shí)驗(yàn)，將工藝過(guò)程進(jìn)行方法，這樣就更有利于工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李海燕，陳秋飛，張學(xué)軍.瀝青基活性碳纖維動(dòng)態(tài)吸附甲苯的性能[J].化 工進(jìn)展，2009，（9）.

[2] 王智慧，張小平，黃華存.活性碳纖維對(duì)有機(jī)廢氣的吸附及再生[J].化工 新型材料，2005，（3）.

[3] 黃華存，張小平.活性碳纖維吸附甲苯廢氣吸附等溫方程的研究[J].環(huán) 境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，（4）.