張青云

(北京綠創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)，北京 102200)

活性碳纖維在有機(jī)物吸附回收工程中的應(yīng)用

張青云

(北京綠創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)，北京 102200)

介紹了活性碳纖維的優(yōu)點、活性炭吸脫附原理以及實際中應(yīng)注意的事項，以應(yīng)用活性碳纖維治理三氯乙烯尾氣工程為例，分析了活性碳纖維的工程應(yīng)用情況。

吸附法;活性碳纖維;有機(jī)物;吸附回收;工程應(yīng)用

引言

吸附法主要用于低濃度氣態(tài)污染物的脫出或回收。在對有機(jī)物吸附凈化時，主要以活性炭或浸漬活性炭為吸附劑。近年來，隨著材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以活性碳纖維（ACF）為代表的新型吸附劑。在環(huán)保領(lǐng)域，活性碳纖維以其優(yōu)良的性能已獲得了越來越多的青睞。但如何在工程中準(zhǔn)確應(yīng)用活性碳纖維進(jìn)行有機(jī)物的吸附回收仍欠缺足夠的經(jīng)驗。本文通過對于活性碳纖維優(yōu)點、活性炭吸脫附原理以及實際中應(yīng)注意事項的說明，對活性碳纖維工程應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 活性碳纖維簡介

活性碳纖維是以粘膠基纖維、聚丙烯基、瀝青基纖維為原料，經(jīng)高溫碳化活化工藝處理制成的新型吸附材料。

1.1 活性碳纖維的優(yōu)點

（1）吸附速度快，吸附量大

活性碳纖維的眾多優(yōu)點，均起源于它的高比表面積產(chǎn)生的優(yōu)異的吸附性能。日本學(xué)者金子克美提出，由于孔壁勢場的疊加效應(yīng)，當(dāng)孔徑是吸附質(zhì)分子直徑的2倍時，較容易發(fā)生吸附[1]?；钚蕴康榷嗫撞牧?，吸附主要發(fā)生在內(nèi)部的微孔部分，大孔和中孔主要起傳遞作用。相比之下，常規(guī)活性碳纖維是表面性單分散微孔材料，因而在比表面積相同時，能夠產(chǎn)生吸附作用的面積更大，因而吸附量更大，吸附效果更佳。

（2）吸附、脫附行程短、速度快

粒狀活性炭直徑較大，孔徑分布較寬，相比之下，活性碳纖維孔徑分布很窄，直徑為粒狀活性炭的數(shù)千分之一[2]。由于有機(jī)分子直徑普遍較小，因而吸、脫附部分主要是在內(nèi)部的微孔部分。不同于普通粒狀活性炭吸附過程中氣體分子必須經(jīng)過大孔、過渡孔的曲折路徑才能到達(dá)起吸附作用的微孔，在活性碳纖維吸附過程中，分子可以直接到達(dá)微孔部分被吸附，時間短，而且相對可以更徹底地實現(xiàn)再生。

（3）形狀多樣，便于工程應(yīng)用

活性碳纖維由于其纖維狀特性，可以很方便地制成布、網(wǎng)、紙等多種形狀，不僅可為工程應(yīng)用提供極高的靈活性，更可以通過有效的布置[3]，在吸附過程中有效增大吸附層面積、降低氣體流速與氣阻。

1.2 活性碳纖維在有機(jī)吸附過程中的應(yīng)用原理

在實際工程應(yīng)用中，常采用的是半連續(xù)式吸附流程，即用兩個或兩個以上的固定床吸附器，氣體連續(xù)通過活性碳纖維層，當(dāng)一個吸附器中的吸附劑達(dá)到飽和時，氣體就切換到另一臺中進(jìn)行吸附處理，而達(dá)到飽和的吸附劑床則進(jìn)行再生。此類流程適用于連續(xù)氣體吸附，且方便吸附氣體再生，其具體流程如圖1。

圖1 半連續(xù)吸附流程

1.2.1 吸附

活性碳纖維對有機(jī)物有很強(qiáng)的選擇性吸附功能。當(dāng)含有有機(jī)物的氣體通過活性碳纖維層時，其中的氮氣、氧氣等氣體不被吸附得到凈化排放；三氯乙烯等有機(jī)物則被吸附、分離、富集。

1.2.2 解吸

活性碳纖維對有機(jī)物的吸附功能隨溫度的升高和壓力的降低而降低。一般對活性碳纖維上的有機(jī)物解吸時采用的是升溫解吸原理，當(dāng)活性碳纖維吸附三氯乙烯等有機(jī)物達(dá)到一定數(shù)量后，停止通入有機(jī)氣體，用水蒸氣進(jìn)行解吸，隨著水蒸氣的通入和活性碳纖維層的升溫，被吸附的有機(jī)物解吸下來并被水蒸氣帶出活性碳纖維層。

1.2.3 冷凝

解吸下來的三氯乙烯和水蒸氣一起進(jìn)入間接冷凝器，由于基本上沒有氮氣和氧氣的存在，三氯乙烯和水的蒸氣在冷凝器管壁的溫度下，迅速冷凝為液體得到回收。不凝氣回到本裝置尾氣入口處，再次進(jìn)行凈化回收。

2 應(yīng)用工程實例

某三氯乙烯回收項目，其工程項目指標(biāo)由保定風(fēng)帆美新蓄電池隔板制造有限公司提供。處理的廢氣為三氯乙烯。在該工程中，三氯乙烯作為生產(chǎn)蓄電池隔板的萃取劑，極易揮發(fā)，不僅造成原材料的浪費，更對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，該物質(zhì)為致癌物質(zhì)，人體吸入后，會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。為減少資源浪費和環(huán)境污染，該項目應(yīng)用了以活性碳纖維吸附回收三氯乙烯尾氣的治理工程。

2.1 工程主要技術(shù)指標(biāo)及運(yùn)行

該工程的主要技術(shù)指標(biāo)為：尾氣流量在7000m3/h左右；尾氣中三氯乙烯排放量約550kg/h，含有微量油，其余為空氣；排放方式為連續(xù)排放。

該治理裝置共設(shè)6臺吸附箱（兩組并聯(lián)）切換運(yùn)行，其中4臺吸附箱處于吸附狀態(tài)，1臺吸附箱處于通蒸氣解吸狀態(tài)，1臺吸附箱處于通空氣冷卻干燥狀態(tài)，達(dá)到程序設(shè)定的時間后，各閥門自動開關(guān)，各箱的運(yùn)行狀態(tài)自動切換。吸附工藝流程見圖2。

圖2 六箱吸附工藝流程

（1）吸附

當(dāng)吸附箱體處于吸附狀態(tài)時，尾氣入口檔板閥啟動打開，解吸氣體出口閥關(guān)閉，尾氣進(jìn)入箱體，尾氣通過吸附芯活性碳纖維層，此時吸附芯出口閥打開，其他控制閥關(guān)閉，尾氣經(jīng)活性碳纖維吸附后，從箱體上部的排放口排入大氣。

（2）解吸

當(dāng)箱體吸附達(dá)到設(shè)定吸附時間時，由PLC控制切換進(jìn)入活性碳纖維解吸，蒸氣控制閥打開，其他控制閥關(guān)閉；蒸氣吹掃和解吸活性碳纖維上的有機(jī)溶劑，解吸下來的有機(jī)溶劑和水蒸氣進(jìn)入一級冷凝器和二級冷凝器進(jìn)行冷凝，經(jīng)冷凝后的有機(jī)溶劑液體和冷凝水進(jìn)入回收物料分層槽分別回收。

（3）冷卻干燥

當(dāng)活性碳纖維解吸達(dá)到設(shè)定的時間時，由PLC控制切換進(jìn)入冷卻干燥狀態(tài)，干燥風(fēng)控制閥打開（干燥風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行），其他控制閥關(guān)閉，干燥風(fēng)通過吸附芯活性碳纖維層，吹掃活性碳纖維上的水汽并降低吸附芯和箱體的溫度，干燥一段時間后，箱體切換到吸附狀態(tài)，由PLC自動控制，循環(huán)反復(fù)進(jìn)入吸附、解吸、和冷卻干燥程序。

（4）放料

由冷凝器和箱體下部排出的冷凝液均流入回收物料自動分層槽，冷凝液在自動分層槽內(nèi)自動分為水層和三氯乙烯物料層，并自動分別排出，冷凝水排入下水管道，三氯乙烯排入回收物料貯槽。當(dāng)三氯乙烯液面達(dá)到液面高位時，回收物料貯槽下方的閥門自動打開，由輸送泵將回收物料送入三氯乙烯貯罐；當(dāng)回收物料液面降至低位時，閥門和泵自動關(guān)閉并停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 工程實施結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場考核及采樣分析結(jié)果，該三氯乙烯廢氣回收裝置工藝滿足設(shè)計要求，自動化運(yùn)行監(jiān)控穩(wěn)定可靠，主要設(shè)計指標(biāo)尾氣回收率和回收產(chǎn)品純度達(dá)到了設(shè)計要求。其中吸附回收率從原來的85%左右提高到98%，并有效地降低了運(yùn)營成本。經(jīng)過一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，每年可為用戶節(jié)省約500萬元。

2.3 工程創(chuàng)新與特色

（1）吸附材料的創(chuàng)新性選擇

由于項目中的用戶是亞洲最大的隔板生產(chǎn)企業(yè)，而尾氣來源于整個廠區(qū)的生產(chǎn)尾氣，所以具有氣量大、濃度高的特點。如果采用常規(guī)材料的碳纖維顆粒作為吸附材料，就會受到吸附材料本身性能及吸附工藝的限制，根本無法達(dá)到工程要求。而本工程采用的活性碳纖維為國產(chǎn)定制，保證了活性碳纖維所具有的吸脫附效率高、速度快等特點，可有效吸附大量高濃度三氯乙烯氣體。因而與該工程原來運(yùn)行的美國進(jìn)口設(shè)備（用顆粒活性炭做吸附劑）相比，各項指標(biāo)均大大提高，為我國相關(guān)項目的開發(fā)設(shè)計提供了全新的思路。

（2）運(yùn)行方式和時序的合理安排

該工程采用6吸附箱并聯(lián)的運(yùn)行方式，在計算吸附時間、脫附時間、干燥時間的基礎(chǔ)上，合理排布運(yùn)行方式和運(yùn)行時序（見圖3）：全套吸附設(shè)備共6臺吸附箱，設(shè)計為4臺吸附器同時吸附，1臺吸附器解吸，1臺吸附器干燥。工作時分為兩組，吸附器A、B、C為一組，D、E、F為另一組。每臺吸附器根據(jù)設(shè)定的時間進(jìn)行吸附、解吸和干燥并自動切換。這樣可保證在任一時刻，總有機(jī)箱在進(jìn)行解吸、干燥操作，這樣可以使冷凝水、干燥空氣的利用率最大化，同時避免了水壓沖擊等的影響。

值得注意的是，因為現(xiàn)場空間條件的約束，合理利用現(xiàn)場條件，將6臺吸附箱分為兩組布置。在時序安排中，特意將6臺吸附箱分為兩組，保證兩組分別有兩臺吸附箱在進(jìn)行吸附工作，這樣可以避免廢氣布?xì)獠痪?/p>

圖3 運(yùn)行時序圖

（3）智能化的PLC設(shè)計

該系統(tǒng)采用全自動的PLC設(shè)計，避免了操作人員可能發(fā)生的失誤，提高了安全系數(shù)。在設(shè)計中，將吸附時間、脫附時間、干燥時間設(shè)計為可調(diào)式，這樣可以方便客戶根據(jù)廢氣的氣量等工程條件的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在該工程中，廢氣為連續(xù)產(chǎn)生，處理系統(tǒng)晝夜運(yùn)行。但為了應(yīng)對生產(chǎn)安全中的特殊情況，PLC系統(tǒng)中增加了急停及復(fù)位功能。

（4）較高的經(jīng)濟(jì)收益

由于活性碳纖維本身所需的脫附能量較少，因而可有效減少脫附中所需的水蒸氣量；全自動化的半連續(xù)吸附系統(tǒng)，也有效減少了運(yùn)行所需的員工費用等。該活性碳纖維吸附凈化回收三氯乙烯尾氣裝置經(jīng)過一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，凈化回收率保持在98%，

該技術(shù)不僅有效減少了環(huán)境污染，更可以變廢為寶，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。

[1]曹溪祿，吳明鉑，張建，等.一種飲用水凈化新技術(shù)中試試驗[J].炭素，2009（4）.

[2]劉漢杰.活性碳纖維有機(jī)尾氣凈化回收技術(shù)[J].環(huán)境保護(hù)，2002（5）.

[3]黃灝，錢元龍，陳輝.活性碳纖維在酮苯脫蠟裝置尾氣回收的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程，2007（10）.

Application of Activated Carbon Fiber in Organic Matter Absorption and Recycling Engineering

ZHANG Qing-yun

X701

A

1006-5377（2011）11-0050-03