活性炭纖維對苯的吸附原理及其前景展望

高維娜, 張軍明，孫凱

編輯：弗艾博纖維技術研究中心

 

 

(1.蘭州石化公司研究院，甘肅蘭州730060; 2.蘭州石化公司助劑廠，甘肅 蘭州730060)

摘要:主要闡述了活性炭纖維吸附原理，並對國內苯廢氣處理工藝過程作一比較。目前,活性炭纖維對苯廢氣的吸附應用較爲廣泛，並且具有較爲廣闊的發展前景。

關鍵詞:活性炭纖維;吸脫附原理;苯

中圖分類號:O643. 36

 

苯屬芳香烴類化合物，是煤焦油蒸餾或石油裂解的產物，在常溫下爲帶特殊芳香味的無色透明液體，極易揮發,易燃,有毒性物質接觸過量的苯可發生苯中毒。化工生產中有機廢氣苯的回收是目前化工行業所面臨的重大問題。苯因其毒性較大，排入大氣後，必然使大氣環境質量下降，給人體健康帶來嚴重危害,給國民經濟造成巨大損失。同時可將廢氣中的苯加以回收而作爲原材料加以利用。因此，對于苯廢氣的研究探討是必要的。

苯氧化法是生產順酐的傳統方法，工藝技術成熟可靠，我國順酐生產仍以此法爲主，而其中有機廢氣苯的回收是目前化工行業所面臨的重大問題。蘭煉順酐車間投產至今,順酐当前產品質量較爲穩定，自吸收塔排出的尾氣中主要成分有:未反應的苯、二甲苯、CO₂、CO、N₂、H₂0、0₂及少量酸性氣體等，將尾氣送入活性炭纖維吸附裝置,除去苯、二甲苯等有機物後排空，其中苯解析冷凝後可以回收並將其作爲原料進一步加以反應，以降低原料苯的消耗,而該車間苯的回收裝置並未達到預期效果，至今未回收到苯，若按廢氣中每年損耗苯300t,每噸9000元計算，廢氣中的苯的浪費直接造成每年約270萬的經濟損耗，並且給環境和人類健康帶來嚴重的危害。國內外治理有機廢氣技術主要有深冷、燃燒、吸附3種。采用深冷法設備龐大、能耗高投資大、效果差。燃燒法不能回收有機溶劑，還可能帶來二次汙染和安全隱患。吸附法是較爲普遍應用的方法,在淨化廢氣的同時,回收廢氣中的有機溶劑,在實際工業生產中常用的吸附劑有活性炭、改性活性炭及活性炭纖維。

 

1  吸脫附原理

吸附作用又稱吸着作用，是兩相交界面上物質分子濃度自動發生變化的現象。吸附體系由吸附劑和吸附質組成，活性炭纖維是常用吸附劑的一種，活性炭纖維對吸附質分子的吸附，主要取決于表面的物理結構和化學結構,活性炭纖維以其表面大量的不飽和碳構築成了獨特的吸附結構，它是一種典型的的微孔炭，其含有的許多不規則結構(雜環結構)或含有表面官能團的結構，具有極大的表面積，也就造成了微孔相對孔壁分子共同作用形成強大的分子場，提供一個吸附總分子物理和化變化的高壓體系。活性炭纖維不含有大孔，其微孔占大多數當微孔與分子尺寸大小相當時,在範得華力作用下相距很近的吸附場發生叠加，引起微孔內吸附勢的增加而活性炭纖維表面的孔口多，容易吸附和脫附,而且吸脫行程短，因此，活性炭纖維是一種的優良的吸附劑。除了內因外，活性炭的吸附能力還受以下外因的影響: (1)壓力越高,吸附力越強; (2)溫度越低，吸附力越強; (3)被吸附組分濃度越高，吸附力越強。

脫附過程是在吸附劑結構不變化或者變化極小的情況下，將吸附質從吸附劑孔隙中除去，恢複它的吸附能力。通過再生使用，可以降低處理成本,減少廢渣排放,同時回收吸附質。被吸附的組分重新釋放，釋放的氣體濃度高于原混合氣的濃度。促進解吸附的條件有: (1)提高溫度(熱再生); (2)抽真空以降低壓力變壓解吸附); (3)降低吸附劑周圍組織的濃度空氣吹掃)。

2 廢氣苯回收方法

2.1活性 炭對苯廢氣的吸收

對于低濃度的苯廢=氣的有效去除方法之一是利用活性炭吸附法。用活性炭作爲吸附劑的吸附方法，處理苯廢氣是控制大氣汙染廣泛采用的技術,而值得研究的問題是尋求-種簡單 易行的科學方法提高活性炭的吸附效率。因此，針對含苯廢氣通過對普通活性炭進行改性處理成爲研究方向之一。

2002年，張麗丹、趙曉鵬等人對改性活性炭對苯廢氣吸附性作一研究。該論文指出，采用酸、堿交替改性活性方法處理普通活性炭，是提高活性炭的苯吸附量,增大比表面積的簡單有效方法。2003年,蔣綠林施明恒等在表面活性炭對苯蒸汽吸附分離過程的實驗研究一文中,該實驗利用靜態平衡實驗方法對多種活性炭煤質、本質、果殼類、油焦類顆粒碳)吸附劑進行廣泛篩選和相關性.能實驗，並采用美國ASAP2010C全自動吸附儀進行全過程結構分析,研究表明:活性碳對苯蒸汽的吸附過程爲物理吸附,低溫有利于吸附，提高溫度有利于解吸,吸附、脫附過程與活性炭的結構特征密切相關。改性活性炭吸附劑的吸附容量和工作容量優于一般市售活性炭，並渴望應用于國內石化企業等行業的苯蒸汽吸附回收利用。

2 2  活性炭纖維對苯廢氣的吸附

有機廢氣苯的回收，傳統的方法是采用活性炭或改性活性炭作爲吸附劑,活性炭纖維是多孔碳家族中具有獨特性能的一員,具有比表面積大,微孔結構發達，孔徑小且分布窄;吸附量大，解吸速度快等特點，活性碳纖維是在20世紀60年代初期發展起來的,20世紀80年代，國外有了以活性炭纖維作爲吸附材料的裝置問世，是廢氣中有機溶劑去除率大幅度提高，裝置占地更小，運轉耗能更低，並且實現了自動化運行。活性炭纖維是繼粉狀活性炭、粒狀活性炭之後的第三代高新吸附材料,與傳統的活性炭相比，具有許多特異的性能，是吸附能力更強的吸附劑,具有廣闊的發展前景。

對于采用活性炭纖維吸附回收裝置處理含苯廢氣。2003年，李守信張文智等曾對此發表論文,在論文中對處理系統、工藝流程、系統運行參數以及運行安全保障作了具體的敘述。運行實踐表明:采用該裝置處理含苯廢氣,苯的吸附效率大于97%,每年可回收270t,企業可得淨收益58. 4萬元。該論文研究了某農藥廠200t/a精 奎禾靈生產中的咪鮮胺化脫水和咪鮮胺錳鹽壓濾工序排放的含苯廢氣回收工藝。該裝置工藝中2個吸附器共用一個管路系統，運行時相互切換,苯廢氣由吸附器下部進入而被吸附,脫附時用水蒸汽作爲脫附介質蒸汽由吸附器頂部進入，穿過活性碳纖維毡，將被吸附的苯脫附出來並帶出吸附器，進入冷凝器,最後是苯和冷凝水分離而回收苯。

齊魯石化公司采用宇清化工環保產業發展中心研制的活性炭纖維雙吸附器流程,用于該公司儲運廠液體化工当前產品裝火車槽車廢氣淨化回收,廢氣中苯系物平均回收率達96. 5%，達國內先進水平。其具體工藝流程采用兩個吸附器切換運行, 當吸附器A處于吸附狀態時,吸附器B則處于脫附和冷卻、幹燥狀態;切換時間到了之後,尾氣、蒸汽等閥門自動切換,吸附器A與B的運行狀態互相轉換。廢氣不斷地在吸附器A或B中得到淨化;被吸附的有機物用蒸汽脫附後進入冷凝器,與蒸汽一起被冷凝爲液體，再根據被回收的有機物與水的比重差別分層回收。另外，還研制了三吸附器流程回收裝置,該流程采用3個吸附器對有機廢氣進行淨化回收，當吸附器A處于吸附狀態時,吸附器B處于蒸汽脫附狀態,吸附器C處于冷卻、幹燥狀態;切換時間到了之後，各種閥門自動切換,吸附器A、B、C的運行狀態依次轉換,循環運行。三吸附器流程比雙吸附器流程的投資雖然略高，但對廢氣中有機物的淨化回收率有較大提高。

此外，,深圳百斯特環保有限公司在治理苯類有機廢氣項目時，采用的是活性炭纖維和蜂窩狀活性炭共裝,以減少系統阻力增大吸附容量。

目前,國內多家企業，如,油漆塗料噴漆、皮革行業等產生的有機尾氣，如，苯、甲苯等的回收裝置已采用活性碳纖維ACF作爲吸附材料，其工藝流程如下:吸附裝置可分爲2~3個吸附室，有微電腦控制，自動切換，交替進行吸附，解吸(幹燥)等工藝過程;放空的廢氣經過減壓過濾後進入吸附器進行吸附，吸附一定數量有機廢氣的ACF,用水蒸汽進行解析，解吸出的有機物和水蒸汽-起進入冷凝器中，經冷凝的有機物和水進入分層槽，經分層，上層有機物自動溢流至儲槽進行回收利用,下層的冷凝水排入廢水處理系統。

3  活性炭纖維吸附現狀及前景

隨着人類環保意識的增加和綠色化學的提出,活性炭纖維(ACF)的研究與工業應用受到了各國研究人員的密切關注。日本和美國是研究和使用活性炭纖維的大國，我國的起步相對較晚，對活性炭纖維的生產與開發僅處于試用階段，其應用領域尚未打開。活性炭纖維的再生一直也是影響其普遍使用的關鍵問題。國內針對活性炭纖維的有效再生報道不多。主要采用再生活性炭的方法再生活性炭纖維有加熱藥劑生物再生等。

加熱再生是普遍再生的方法,此技術目前比較成熟，但再生成本高;藥劑再生容易引起二次汙染;生物再生還需要進一步研究。因此，以後的研究應對其改善工藝條件，開發新的改性方法及,改善其結構與性能等，實現活性炭纖維的工業化應用,使其更好的發揮作用。此外,活性炭纖維的價格約是活性炭的5~ 100倍,其制造成本要比活性炭、粒狀活性炭要高得多，因而在工業應用中還存在一定的局限性，因此,研究開發低成本高強度的活性炭纖維,使其利用于廢氣回收裝置及其他領域的應用也將成爲今後的研究發展趨勢。

 

參考文獻:

[1]孫宏,孫禾.活性炭吸附法油氣回收系統在石油庫的應用[J]. 安全、健康和環境，2004, 4(7): 14-15.

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[3]蔣綠林,施明恒.活性炭對苯蒸汽吸收分離過程的實驗研究[J ].工程熱物理學報, 2003, 24 (2): 274-276.

[4] 李守信張文智. 用活性炭纖維吸附回收廢氣中的苯[J].化工環保,2003 ,23 (4): 229- 230.