活性碳纖維在有機物吸附回收工程中的應用

張青云

(北京綠創環保集團，北京 102200)

活性碳纖維在有機物吸附回收工程中的應用

張青云

(北京綠創環保集團，北京 102200)

介紹了活性碳纖維的優點、活性炭吸脫附原理以及實際中應注意的事項，以應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用情況。

吸附法;活性碳纖維;有機物;吸附回收;工程應用

引言

吸附法主要用于低濃度氣態污染物的脫出或回收。在對有機物吸附凈化時，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、環境科學的不斷發展，出現了以活性碳纖維（ACF）為代表的新型吸附劑。在環保領域，活性碳纖維以其優良的性能已獲得了越來越多的青睞。但如何在工程中準確應用活性碳纖維進行有機物的吸附回收仍欠缺足夠的經驗。本文通過對于活性碳纖維優點、活性炭吸脫附原理以及實際中應注意事項的說明，對活性碳纖維工程應用情況進行了詳細介紹。

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 活性碳纖維的優點

（1）吸附速度快，吸附量大

活性碳纖維的眾多優點，均起源于它的高比表面積產生的優異的吸附性能。日本學者金子克美提出，由于孔壁勢場的疊加效應，當孔徑是吸附質分子直徑的2倍時，較容易發生吸附[1]。活性炭等多孔材料，吸附主要發生在內部的微孔部分，大孔和中孔主要起傳遞作用。相比之下，常規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千分之一[2]。由于有機分子直徑普遍較小，因而吸、脫附部分主要是在內部的微孔部分。不同于普通粒狀活性炭吸附過程中氣體分子必須經過大孔、過渡孔的曲折路徑才能到達起吸附作用的微孔，在活性碳纖維吸附過程中，分子可以直接到達微孔部分被吸附，時間短，而且相對可以更徹底地實現再生。

（3）形狀多樣，便于工程應用

活性碳纖維由于其纖維狀特性，可以很方便地制成布、網、紙等多種形狀，不僅可為工程應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 活性碳纖維在有機吸附過程中的應用原理

在實際工程應用中，常采用的是半連續式吸附流程，即用兩個或兩個以上的固定床吸附器，氣體連續通過活性碳纖維層，當一個吸附器中的吸附劑達到飽和時，氣體就切換到另一臺中進行吸附處理，而達到飽和的吸附劑床則進行再生。此類流程適用于連續氣體吸附，且方便吸附氣體再生，其具體流程如圖1。

圖1 半連續吸附流程

1.2.1 吸附

活性碳纖維對有機物有很強的選擇性吸附功能。當含有有機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；三氯乙烯等有機物則被吸附、分離、富集。

1.2.2 解吸

活性碳纖維對有機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物解吸時采用的是升溫解吸原理，當活性碳纖維吸附三氯乙烯等有機物達到一定數量后，停止通入有機氣體，用水蒸氣進行解吸，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，再次進行凈化回收。

2 應用工程實例

某三氯乙烯回收項目，其工程項目指標由保定風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，三氯乙烯作為生產蓄電池隔板的萃取劑，極易揮發，不僅造成原材料的浪費，更對環境造成了嚴重污染，該物質為致癌物質，人體吸入后，會對中樞神經系統產生危害。為減少資源浪費和環境污染，該項目應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 工程主要技術指標及運行

該工程的主要技術指標為：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；排放方式為連續排放。

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

圖2 六箱吸附工藝流程

（1）吸附

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

（2）解吸

當箱體吸附達到設定吸附時間時，由PLC控制切換進入活性碳纖維解吸，蒸氣控制閥打開，其他控制閥關閉；蒸氣吹掃和解吸活性碳纖維上的有機溶劑，解吸下來的有機溶劑和水蒸氣進入一級冷凝器和二級冷凝器進行冷凝，經冷凝后的有機溶劑液體和冷凝水進入回收物料分層槽分別回收。

（3）冷卻干燥

當活性碳纖維解吸達到設定的時間時，由PLC控制切換進入冷卻干燥狀態，干燥風控制閥打開（干燥風機連續運行），其他控制閥關閉，干燥風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，由PLC自動控制，循環反復進入吸附、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。當三氯乙烯液面達到液面高位時，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；當回收物料液面降至低位時，閥門和泵自動關閉并停止運轉。

2.2 工程實施結果

根據現場考核及采樣分析結果，該三氯乙烯廢氣回收裝置工藝滿足設計要求，自動化運行監控穩定可靠，主要設計指標尾氣回收率和回收產品純度達到了設計要求。其中吸附回收率從原來的85%左右提高到98%，并有效地降低了運營成本。經過一年多的生產運行，每年可為用戶節省約500萬元。

2.3 工程創新與特色

（1）吸附材料的創新性選擇

由于項目中的用戶是亞洲最大的隔板生產企業，而尾氣來源于整個廠區的生產尾氣，所以具有氣量大、濃度高的特點。如果采用常規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，根本無法達到工程要求。而本工程采用的活性碳纖維為國產定制，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行的美國進口設備（用顆粒活性炭做吸附劑）相比，各項指標均大大提高，為我國相關項目的開發設計提供了全新的思路。

（2）運行方式和時序的合理安排

該工程采用6吸附箱并聯的運行方式，在計算吸附時間、脫附時間、干燥時間的基礎上，合理排布運行方式和運行時序（見圖3）：全套吸附設備共6臺吸附箱，設計為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。每臺吸附器根據設定的時間進行吸附、解吸和干燥并自動切換。這樣可保證在任一時刻，總有機箱在進行解吸、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，因為現場空間條件的約束，合理利用現場條件，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行吸附工作，這樣可以避免廢氣布氣不均。

圖3 運行時序圖

（3）智能化的PLC設計

該系統采用全自動的PLC設計，避免了操作人員可能發生的失誤，提高了安全系數。在設計中，將吸附時間、脫附時間、干燥時間設計為可調式，這樣可以方便客戶根據廢氣的氣量等工程條件的變化進行調節。

在該工程中，廢氣為連續產生，處理系統晝夜運行。但為了應對生產安全中的特殊情況，PLC系統中增加了急停及復位功能。

（4）較高的經濟收益

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；全自動化的半連續吸附系統，也有效減少了運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過一年多的生產運行，凈化回收率保持在98%，

該技術不僅有效減少了環境污染，更可以變廢為寶，實現經濟效益和環境效益的雙贏。

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

[2]劉漢杰.活性碳纖維有機尾氣凈化回收技術[J].環境保護，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用[J].煉油技術與工程，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