ACF蒸氣再生對(duì)于VOCs再吸附性能的影響研究

摘要：ACF吸附－蒸氣再生工藝在醫(yī)藥行業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用，由于生產(chǎn)工藝的多樣性，廢氣污染因子差異較大，工作選取二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、二甲苯、丙酮為特征污染物，研究其在實(shí)際工程應(yīng)用條件下的吸附水蒸氣再生效果，結(jié)果表明，二氧甲烷受蒸氣再生影響最大，其次為二甲苯。二甲苯為高沸點(diǎn)物質(zhì)，蒸氣再生溫度為120℃，其脫附殘留較高；對(duì)二氯甲烷冷烘干時(shí)間及熱再生研究，發(fā)現(xiàn)其受炭纖維脫附后含水量較高的影響較大，采用熱再生的方式其吸附容量的衰減也較為明顯。實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例表明，廢氣中二氯甲烷濃度含量較高時(shí)，不宜選用ACF吸附－蒸氣再生工藝。

關(guān)鍵詞：活性炭纖維；揮發(fā)性有機(jī)物；蒸氣再生；吸附

中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

纖維狀活性炭（ACF）是近年來(lái)出現(xiàn)的新型活性炭吸附材料，它是利用超細(xì)纖維粘膠絲、酚醛纖維或者晴綸纖維等制成氈狀、繩狀或布狀，經(jīng)高溫炭化及活化制得具有豐富微孔結(jié)構(gòu)的活性炭纖維。2021年，中國(guó)活性炭纖維總產(chǎn)能超過(guò)2 600 t，活性炭纖維以其較高的吸附容量、快吸快脫的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)VOCs治理領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

相較于普通的顆?；钚蕴考胺涓C活性炭（750-1 000 m2/g），活性炭纖維的比表面積多為1 100-1 800 m2/g，吸附能力較強(qiáng)；此外，不同于顆粒炭及蜂窩活性炭的微孔吸附VOCs需要通過(guò)大孔及中孔過(guò)渡，活性炭纖維的微孔分布在外表面，且多為直孔，吸脫附速率快且再生殘留低，使用壽命久。水蒸氣脫附一烘干是活性炭纖維最常用的再生工藝，再生效果是決定炭纖維使用壽命的關(guān)鍵因素，除VOCs殘留外，再生過(guò)程中引入的水分也會(huì)占據(jù)ACF的部分微孔孔道，導(dǎo)致其吸附容量下降，其影響程度受物性影響差異較大。

醫(yī)藥行業(yè)是VOCs治理領(lǐng)域的重難點(diǎn)行業(yè)，ACF吸附－蒸氣再生工藝用于回收溶劑可實(shí)現(xiàn)其資源化利用。工作以醫(yī)藥行業(yè)常見(jiàn)污染物為例，研究了工業(yè)應(yīng)用條件下ACF對(duì)于二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、二甲苯等物質(zhì)的水蒸氣吸附再生效果。

1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程如圖1所示，可模擬實(shí)際應(yīng)用工況條件下的VOCs吸附－水蒸氣脫附全過(guò)程，實(shí)驗(yàn)裝置包括污染源模擬的配氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、水蒸氣脫附系統(tǒng)，配氣系統(tǒng)包括VOCs發(fā)生系統(tǒng)、濕度發(fā)生系統(tǒng)、空氣預(yù)處理系統(tǒng)及混合系統(tǒng)；污染物濃度和濕度的精準(zhǔn)控制是通過(guò)柱塞泵的液體流量、有機(jī)溶劑及水的密度以及氣量估算，柱塞泵為恒流泵．精度為1 uL/min，可控制有機(jī)溶劑或水進(jìn)入氣化器的量，分別在水蒸氣氣化器和VOCs氣化器中經(jīng)加熱氣化后轉(zhuǎn)變成為氣態(tài)的VOCs及水蒸氣，與冷干機(jī)干燥后的環(huán)境空氣在緩沖罐內(nèi)充分混合，即可得到濃度均勻穩(wěn)定的模擬廢氣。吸附系統(tǒng)包含三個(gè)吸附床，可以模擬兩級(jí)炭纖維串聯(lián)吸附－水蒸氣脫附連續(xù)運(yùn)行的全過(guò)程。

吸附材料選用市售活性炭纖維，比表面積為1 255 m2/g，測(cè)試條件參考某制藥企業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用參數(shù)。該企業(yè)廢氣吸附風(fēng)量為12 000m3／h，脫附蒸氣用量為120 kg/h，冷烘干風(fēng)量約為3 500 m3／h?；钚蕴坷w維設(shè)備為炭筒形式，過(guò)流氣速為0.15 m/s，停留時(shí)間1.5 s。兩級(jí)串聯(lián)吸附，吸附周期為100 min，水蒸氣脫附時(shí)間為30 min，冷烘干時(shí)間為14 min，靜置時(shí)間為1 min。主要污染物類型為二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、丙酮、二甲苯，總進(jìn)氣濃度為1000-2 000 mg／m3（以非甲烷總烴計(jì)）。

2結(jié)果與討論

2.1ACF對(duì)于不同VOCs的水蒸氣再生效果評(píng)估

常見(jiàn)VOCs的物性參數(shù)及實(shí)驗(yàn)進(jìn)氣濃度控制如表1所示，二氯甲烷相較其它物質(zhì)沸點(diǎn)較低，20℃時(shí)飽和蒸氣壓較高，溶劑用量較大，在實(shí)際廢氣治理項(xiàng)目中濃度往往較高，因此二氯甲烷的進(jìn)氣濃度控制在1 000±50 mg／m3，其它污染物的濃度控制在150-200 mg/m3，測(cè)試溫度為33℃±3℃，濕度控制在50±5%RH，氣體流速為0.15 m/s，脫附蒸氣用量為吸附氣量的1/10。吸附再生效果如圖2所示。水蒸氣再生后冷烘干時(shí)間僅為14 min，ACF纖維由于蒸氣脫附帶來(lái)的水分子難以完全脫除，含水率較高，占據(jù)了部分吸附孔位，對(duì)于VOCs的再吸附效果有一定影響。

對(duì)于新ACF，吸附容量二甲苯gt;乙酸乙酯gt;異丙醇gt;丙酮gt;二氯甲烷，二氯甲烷進(jìn)氣濃度遠(yuǎn)高于丙酮，在同等條件下評(píng)估其吸附容量低于丙酮。ACF對(duì)不同VOCs的吸附容量受其分子動(dòng)力學(xué)直徑及物性的影響，一般來(lái)講，活性炭利用率最高的孔徑為有機(jī)物分子動(dòng)力學(xué)直徑的1.7-3.0倍。二甲苯的分子動(dòng)力學(xué)直徑大于其它物質(zhì)，ACF最可幾孔徑利用率最高，因此其吸附容量最高，乙酸乙酯次之，二氯甲烷由于分子動(dòng)力學(xué)直徑過(guò)小，ACF對(duì)其吸附容量相對(duì)較差，二氯甲烷一直是制約ACF吸附一水蒸氣再生工藝在含氯VOCs行業(yè)的關(guān)鍵因素。

吸附容量衰減排序依次為二氯甲烷（90.0%）gt;二甲苯（46.7%）gt;丙酮（24.2%）gt;異丙醇（11.0%）gt;乙酸乙酯（-33.0%）。研究表明，ACF對(duì)二氯甲烷的吸附容量受進(jìn)氣濕度影響較大，濕度從30.2% RH增加至66.6% RH，吸附容量降低了71.9%，同樣活性炭纖維含水量對(duì)二氯甲烷的影響也很大。乙酸乙酯在水中易水解，故其吸附容量有所增加。二甲苯由于其沸點(diǎn)為137℃，水蒸氣脫附溫度僅為120℃，在此工藝條件下難以脫附完全，故水蒸氣再生后吸附容量下降較多。異丙醇和丙酮受ACF含水率影響較小。

2.2ACF吸附二氯甲烷工程應(yīng)用實(shí)效模擬

參考某制藥企業(yè)兩級(jí)串聯(lián)吸附一水蒸氣脫附工藝處理二氯甲烷，廢氣進(jìn)氣濃度控制在1 000±50 mg／m3，進(jìn)氣溫度33℃±3℃，進(jìn)氣濕度55±5%RH，吸附周期為100 min，水蒸氣脫附時(shí)間為30 min，冷烘干時(shí)間為14 min，靜置時(shí)間1min。三個(gè)吸附床編號(hào)分別為1、2、3，周期分別為1＆2－2＆3－3＆1－1＆2，吸附過(guò)程中各吸附床的凈化效率如圖3所示。前三周期時(shí)，一級(jí)吸附床維持一定時(shí)間的高效率后，凈化效率緩慢下降，二級(jí)吸附床的凈化效率均大干99.9%，當(dāng)吸附周期進(jìn)展到第四輪時(shí)，1＆2吸附床均經(jīng)過(guò)兩輪的水蒸氣脫附，40 min后兩級(jí)炭床完全穿透。高濃度二氯甲烷的達(dá)標(biāo)排放成為制約該工藝應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化推廣的重要因素。

監(jiān)測(cè)ACF吸附二氯甲烷過(guò)程中排氣濕度的變化，進(jìn)氣濕度為52.2% RH時(shí)，新ACF初始出口濕度為44.2% RH，此后出口濕度緩慢增加至與進(jìn)口濕度一致，說(shuō)明新ACF具有一定的吸水性。經(jīng)過(guò)蒸氣脫附后的ACF本身含水率比較高，一級(jí)吸附床初始排氣濕度達(dá)80.8%，吸附過(guò)程中水分逐漸被帶出，至30 min時(shí)，降至57.6% RH，44 min時(shí)，出氣濕度為55.9% RH，依然高于進(jìn)口濕度。二級(jí)出口濕度初始為80.0% RH，經(jīng)100 min后才緩慢降至56.3%RH，初始出口濕度高，水分脫除較快，可能是ACF表面殘余的自由水，后期脫附速度較慢，脫除的水分為ACF微孔內(nèi)吸附的結(jié)合水，需要克服的分子力較大。水蒸氣脫附后冷烘干時(shí)長(zhǎng)為14 min時(shí)，很難將其中水分脫除，可通過(guò)延長(zhǎng)脫附時(shí)間來(lái)削減ACF吸附的影響。

2.3冷烘干時(shí)長(zhǎng)及脫附方式對(duì)二氯甲烷吸附效果的影響

二氯甲烷進(jìn)氣濃度1100±50 mg／m3，氣體流速為0.15 m/s，停留時(shí)間為1.5 s的實(shí)驗(yàn)條件下，考察冷烘干時(shí)長(zhǎng)對(duì)于ACF吸附水蒸氣再生處理二氯甲烷實(shí)際應(yīng)用效果的影響。將冷烘干時(shí)間由14 min延長(zhǎng)至5h，ACF的再吸附容量由6.1 mg／m3提升為36.7 mg／m3，相對(duì)于新ACF的吸附容量（61.3 mg／m3），降低了40%，說(shuō)明延長(zhǎng)冷烘干時(shí)間有助于ACF二氯甲烷吸附容量的恢復(fù)。然而，相對(duì)于新ACF烘箱干燥后含水量較低，冷烘干后的ACF由于受冷烘干氣中濕度及再生殘留等因素的影響，損失了部分吸附孔位，無(wú)法恢復(fù)。

選用熱再生的方式對(duì)炭纖維進(jìn)行再生，再生溫度100℃，再生時(shí)長(zhǎng)2h，對(duì)二氯甲烷再生效果明顯優(yōu)于冷烘干，隨著熱再生次數(shù)的增加，ACF對(duì)于二氯甲烷的吸附容量也逐步下降，三次再生的衰減率分別為21.1%、26.6%、31.4%，第一次吸附容量衰減較高，隨著熱再生次數(shù)的增加，二氯甲烷的吸附容量呈持續(xù)衰減的趨勢(shì)。（見(jiàn)圖4）

2.4ACF吸附－水蒸氣再生工程應(yīng)用實(shí)例

將ACF吸附－水蒸氣脫附應(yīng)用于兩個(gè)醫(yī)藥企業(yè)，工藝條件同工作實(shí)驗(yàn)條件，采用兩級(jí)吸附模式處理廢氣，處理裝置模型圖如圖5所示。由于生產(chǎn)工藝不同，兩個(gè)企業(yè)的主要污染物差異較大，企業(yè)一廢氣中含有約485 mg／m3的二氯甲烷，其余組分分別為丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷，合計(jì)為非甲烷總烴濃度約為1 862 mg/m3，以上濃度為多次檢測(cè)平均值，實(shí)際廢氣濃度隨車間生產(chǎn)條件的不同有所波動(dòng)。廢氣處理裝置運(yùn)行初期可達(dá)標(biāo)排放，隨著水蒸氣脫附次數(shù)的增加，凈化效率逐漸下降，系統(tǒng)運(yùn)行一周后檢測(cè)廢氣出口已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，主要超標(biāo)污染物為二氯甲烷（濃度超60 mg／m3），次要超標(biāo)污染物為三氯甲烷。企業(yè)二廢氣主要污染物為異丙醇、乙酸乙酯、少量苯系物、微量二氯甲烷（lt;10 mg/m3），合計(jì)為非甲烷總烴濃度約為1 485 mg/m3，該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一年，廢氣未出現(xiàn)超標(biāo)情況，檢測(cè)其廢氣凈化效率仍可達(dá)98.2%。

以上結(jié)果表明，當(dāng)廢氣組分中含有較高濃度二氯甲烷、三氯甲烷等含氯有機(jī)物時(shí)，受ACF本身對(duì)二氯甲烷等小分子有機(jī)物的吸附能力及蒸氣再生引入水分、脫附殘留等因素的影響，其凈化效率較差；廢氣中含有較高濃度二氯甲烷時(shí)，不適宜采用活性炭纖維吸附－蒸氣再生脫附工藝。

3結(jié)論

ACF吸附蒸氣再生工藝在醫(yī)藥行業(yè)VOCs處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，工作研究了在實(shí)際應(yīng)用工況條件下對(duì)于二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、丙酮、二甲苯等典型污染物的吸附－水蒸氣再生效果。結(jié)果表明，蒸氣再生后受ACF吸附容量衰減二氯甲烷（90.0%）gt;二甲苯（46.7%）gt;丙酮（24.2%）gt;異丙醇（11.0%）gt;乙酸乙酯（-33.0%）。ACF對(duì)于二氯甲烷本身的吸附作用較差且受水蒸氣再生殘留影響最大，冷烘干時(shí)長(zhǎng)由14 min延長(zhǎng)至5h，再次吸附容量由6.1 mg／m3提升為36.7 mg／m3。熱再生脫附效果優(yōu)于蒸氣脫附－冷烘干，隨著再生次數(shù)的增加，二氯甲烷的吸附容量持續(xù)下降。實(shí)驗(yàn)室工程應(yīng)用效果模擬及工程應(yīng)用實(shí)例表明，二氯甲烷濃度較高時(shí)，不適宜采用ACF吸附－蒸氣脫附工藝，此外，二甲苯等高沸點(diǎn)物質(zhì)由于脫附溫度較低，脫附殘留較高，會(huì)對(duì)其自身再吸附性能及其它物質(zhì)的吸附效果造成較大影響。