活性炭纖維吸附模擬廢氣中的乙醇和乙醚

曾 樂(lè)，王春雷，劉兆燕，周矛峰，呂 琪，王同華

（1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 化工學(xué)院炭素材料實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2. 江蘇同康活性炭纖維特種面料有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226003；3. 河北中環(huán)環(huán)保設(shè)備有限公司，河北 保定 071051）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是主要的大氣污染物之一［1］，按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為芳香烴（苯、甲苯、二甲苯）、酮類、醛類、胺類、鹵代類、不飽和烴類等。VOCs成分復(fù)雜，對(duì)人體的危害大，具有毒性和刺激性［2］。VOCs的控制技術(shù)主要包括回收技術(shù)和銷毀技術(shù)。與銷毀技術(shù)相比，回收技術(shù)不但可有效回收有機(jī)廢氣，使之變廢為寶，且不會(huì)造成因銷毀（如燃燒處理）而引起的二次污染，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、改善大氣環(huán)境和人民身心健康都具有十分重要的意義。

活性炭纖維（ACF）作為一種多功能吸附材料，除具有比表面積大、微孔豐富、孔徑小且分布窄、吸附量大、吸-脫附速率快、易再生和工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)外，還具有不易粉化和沉降等特點(diǎn)。目前，ACF多用于VOCs的處理和有機(jī)溶劑的回收［3-6］。將ACF用于乙醇和乙醚混合吸附的研究鮮有報(bào)道。

本工作以氮?dú)鉃檩d氣，采用動(dòng)態(tài)吸附法，對(duì)比考察了不同的ACF對(duì)乙醇、乙醚及模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附性能，為工業(yè)排放的乙醇和乙醚混合廢氣的回收利用提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

乙醇和乙醚：分析純。

ACF：江蘇同康活性炭纖維有限公司。分別采用5種ACF對(duì)乙醇和乙醚進(jìn)行吸附，ACF的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ACF的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

AUTO-1-V-151型全自動(dòng)吸附儀：美國(guó)康塔儀器公司；SP2100型氣相色譜分析儀： 北京北分瑞利分析儀器（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。

1.2 ACF吸附乙醇和乙醚的實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)動(dòng)態(tài)吸附原理，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)法測(cè)試ACF吸附性能的實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況、有機(jī)廢氣的組成和濃度，探討ACF吸附乙醇和乙醚的性能。ACF吸附裝置的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 ACF吸附裝置的示意圖

室溫下，通過(guò)雙柱塞泵將一定量的有機(jī)溶液打入混合罐，氣化后與由流量積算儀控制流速的氮?dú)饣旌稀；旌蠚馔ㄟ^(guò)緩沖罐均勻混合，得到與實(shí)際工況相似的模擬廢氣混合物。模擬混合廢氣進(jìn)入含有一定量ACF的吸附柱（φ 30 mm×80 mm）進(jìn)行吸附，停留時(shí)間為3.4 s。通過(guò)氣相色譜分析儀測(cè)試出口試樣中有機(jī)氣體的含量與組成，得到ACF吸附有機(jī)氣體的穿透曲線及飽和吸附曲線，以確定ACF吸附乙醇和乙醚的效果。

1.3 分析方法

采用全自動(dòng)吸附儀測(cè)定ACF的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。在吸附過(guò)程中，當(dāng)吸附柱的出口試樣出現(xiàn)吸附帶時(shí)，稱為穿透吸附。按照文獻(xiàn)［7］報(bào)道的方法計(jì)算穿透吸附量和飽和吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 ACF對(duì)乙醇和乙醚的吸附性能

在室溫、乙醇質(zhì)量濃度12.0 mg/L、乙醚質(zhì)量濃度13.0 mg/L的條件下，ACF分別吸附乙醇和乙醚的效果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)：4種ACF對(duì)乙醇和乙醚均具有顯著的吸附性能；當(dāng)ACF分別吸附乙醇和乙醚時(shí)，ACF對(duì)乙醇的吸附性能高于乙醚；4種ACF對(duì)乙醇的穿透吸附量和飽和吸附量分別為60～70 mg/g和339～409 mg/g，對(duì)乙醚的穿透吸附量和飽和吸附量分別為50～65 mg/g和301～344 mg/g。這可能是因?yàn)橐掖己鸵颐逊肿拥拇笮〔煌?，乙醇分子尺寸較小，ACF吸附的乙醇分子數(shù)多，因此ACF對(duì)乙醇的吸附量較大。

由表2還可見(jiàn)，在4種ACF中，比表面積及孔體積較大的ACF-1和ACF-4對(duì)乙醇和乙醚的吸附效果較好。較大的比表面積有利于乙醇和乙醚分子與ACF的表面發(fā)生碰撞，使更多的吸附質(zhì)吸附在ACF的表面［8］。ACF-1和ACF-4不僅具有較大的比表面積，同時(shí)具有較多孔徑為0.4～1.0 nm的微孔，因此對(duì)有機(jī)廢氣表現(xiàn)出較好的吸附能力；而ACF-2和ACF-3的比表面積較小，孔徑為0.4～0.8 nm的微孔較少，因此吸附能力較弱。

此外，相關(guān)文獻(xiàn)指出，當(dāng)吸附劑孔徑為吸附質(zhì)分子直徑的2～6 倍時(shí)，孔壁場(chǎng)作用力會(huì)相互疊加，增強(qiáng)固體表面和氣體分子的相互作用，有利于表面吸附［9］。乙醇分子的直徑為0.44 nm［10］?；谏鲜鲇^點(diǎn)，有利于吸附乙醇的ACF的孔徑應(yīng)為0.88 nm左右。

表2 4種ACF分別吸附乙醇和乙醚的效果

2.2 ACF對(duì)模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附性能

在室溫、模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的質(zhì)量濃度均為11.6 mg/L的條件下，ACF-3和ACF-5對(duì)模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附曲線見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，在ACF吸附模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚時(shí)，ACF對(duì)乙醇的吸附量小于對(duì)乙醚的吸附量。這是因?yàn)椋珹CF為非極性吸附劑［11］，表面的非極性位數(shù)目多于極性位，因此對(duì)非極性的乙醚分子吸附能力強(qiáng)；并且乙醚的分子尺寸較大，更易被吸附在孔道中，進(jìn)而阻止了ACF對(duì)乙醇的吸附。此外，由于乙醚和乙醇的分子尺寸不同，尺寸較小的乙醇分子可以占據(jù)ACF吸附乙醚分子后的剩余空隙，使ACF內(nèi)部孔隙被充分占用。因此，ACF吸附模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的總吸附量大于單獨(dú)吸附乙醇或乙醚的吸附量。

由圖2還可見(jiàn)：由于ACF-5具有較大的比表面積和微孔體積，其對(duì)模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的吸附效果優(yōu)于ACF-3；當(dāng)吸附時(shí)間為120 m in時(shí)，ACF-5對(duì)乙醇的吸附量為205 mg/g，對(duì)乙醚的吸附量為223 mg/g。在吸附中期，乙醇與乙醚的競(jìng)爭(zhēng)吸附占主導(dǎo)地位，乙醇比乙醚更易穿透，使出氣中的乙醇質(zhì)量濃度大于乙醚質(zhì)量濃度，孔結(jié)構(gòu)及吸附性能相對(duì)差的ACF-3在吸附乙醇和乙醚時(shí)乙醇更易穿透；在吸附后期，當(dāng)ACF吸附乙醚接近飽和時(shí)，乙醇的吸附量仍呈增加趨勢(shì)，出口的乙醇質(zhì)量濃度逐漸降低，而乙醚質(zhì)量濃度逐漸增加，說(shuō)明此時(shí)部分乙醚被乙醇置換出來(lái)，這可能是因?yàn)橐掖挤肿映叽巛^小，可以進(jìn)入到已吸附了乙醚的吸附位中將乙醚頂出。

圖2 ACF-3和ACF-5對(duì)模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附曲線

2.3 ACF-5的重復(fù)使用效果

采用ACF-5吸附模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚，達(dá)到穿透吸附后進(jìn)行真空脫附，然后再進(jìn)行吸附，探討ACF-5長(zhǎng)時(shí)間吸-脫附乙醇和乙醚的效果。在脫附真空度-0.95 Pa、脫附時(shí)間20 m in的條件下，ACF-5使用次數(shù)對(duì)模擬混合廢氣中乙醇和乙醚吸附效果的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：隨使用次數(shù)的增加，ACF-5的穿透吸附量降低、穿透吸附時(shí)間縮短；ACF-5初次使用時(shí)乙醇和乙醚的穿透吸附量均為188 mg/g，穿透時(shí)間均為27 m in；ACF-5使用17 次時(shí)乙醇和乙醚的穿透吸附量均為87 mg/g，穿透時(shí)間均為12 m in。這是因?yàn)?，真空脫附未使ACF-5孔隙中的乙醇和乙醚分子全部脫附出來(lái)，造成部分孔隙堵塞，只有部分被打開的微孔在重復(fù)吸附中發(fā)揮吸附作用。多次重復(fù)使用后累積在ACF-5孔隙中的乙醇和乙醚分子增多，導(dǎo)致穿透吸附量降低。

圖3 使用次數(shù)對(duì)乙醇和乙醚吸附效果的影響

3 結(jié)論

a）采用ACF-1，ACF-2，ACF-3，ACF-4分別吸附乙醇和乙醚時(shí)，在室溫、乙醇質(zhì)量濃度12.0 mg/L、乙醚質(zhì)量濃度13.0 mg/L的條件下，4種ACF對(duì)乙醇的穿透吸附量和飽和吸附量分別為60～70 mg/g和339～409 mg/g，對(duì)乙醚的穿透吸附量和飽和吸附量分別為50～65 mg/g和301～344 mg/g。在4種ACF分別吸附乙醇和乙醚時(shí)，ACF對(duì)乙醇的吸附性能高于乙醚。

b）具有較大的比表面積和微孔體積的ACF-5對(duì)乙醇和乙醚的吸附效果優(yōu)于ACF-3。在室溫、模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的質(zhì)量濃度均為11.6 mg/L、吸附時(shí)間120 m in的條件下，ACF-5對(duì)乙醇的吸附量為205 mg/g，對(duì)乙醚的吸附量為223 mg/g。

c）在脫附真空度-0.95 Pa、脫附時(shí)間20 min的條件下，經(jīng)17 次使用的ACF-5對(duì)模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的穿透吸附量均為87 mg/g，穿透時(shí)間均為12 min。

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