瀝青基活性碳纖維對甲苯廢氣的吸附及再生效果

楊東艷

摘 要：以通用級的瀝青級碳纖維為原料，借助鈷鹽催化活化法，改變活化劑的用量和時間，實現(xiàn)不同活性碳纖維的制備。對活性碳纖維的動態(tài)吸附甲苯和再生性能進行研究。結(jié)果顯示：活性碳纖維具有吸附甲苯的優(yōu)秀特性，飽和和吸附量同其表面積和孔徑分布存在聯(lián)系。活性碳纖維對甲苯的動態(tài)吸附量在1 250 mg/g以上。實行20次的吸脫附循環(huán)再生后，吸附量還能保持在900 mg/g上。

關(guān)鍵詞：瀝青基；活性碳纖維；甲苯；吸附；再生效果

中圖分類號：TQ342.74 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）06-0177-02

吸附物質(zhì)的選擇，活性碳纖維是一種多孔的纖維吸附材料，表面積較大并且其孔隙在其表現(xiàn)可以直接打開，因此有著吸附容量高、脫附速度高和極易再生的特點，這些優(yōu)點使的人們對該材料的甲苯吸附能力產(chǎn)生研究。對聚丙乙烯腈溶液進行了碳活化以及靜電紡等措施，最終制備出了納米活性碳纖維，實現(xiàn)了對甲苯的動態(tài)吸附量在650 mq/q。在Lillo-Rodensas的研究借助了KOH活性無煙煤，在這一制備過程中，得到的活性碳纖維對甲苯的動態(tài)吸附達到了560mg/g。在我國工業(yè)的逐漸興起和發(fā)展中，越來越多的揮發(fā)性有機物在大氣中的排放量增多，在這些有機物性氣體中，甲苯一直被認(rèn)為是一種比較典型的有機物種類，存在強大的毒性和致癌性，就算是在濃度較低的情況下，同樣會導(dǎo)致十分嚴(yán)重的生物污染和危害。當(dāng)前針對甲苯氣體的解決方法主要依靠吸附方法。該種方法是最簡單、有效、環(huán)保、廉價等優(yōu)點。[1]

1 瀝青基活性碳纖維的研究過程

1.1 研究原料、設(shè)備

實驗中主要以通用級的瀝青碳纖維作為原料，TP-2060F型氣相色譜儀，氫火焰離子化檢測器。不銹鋼填充柱，長度為 1 m，內(nèi)徑為3 mm，溫度內(nèi)120 ℃，氣化溫度內(nèi)1 250 ℃，檢測室室內(nèi)溫度為150 ℃，載氮氣；ASAP2 000 M型物理吸附儀。

1.2 制備方法和過程

在電子天平中精確稱定量瀝青基活性碳纖維，將其艦炮在鈷鹽溶液中，在鈷鹽溶液中取出后實行干燥；將水蒸氣作為實驗的活化劑，在900攝氏度的高溫下將水進行活化，利用稀鹽酸對碳纖維進行清洗，再使用離子水進行情緒，隨后采用去離子水清洗，烘干后作為備用。在1 h的火化后，活化計量分別為 20 mL/h、40 mL/h、60 mL/h，最終樣品可被記為A、B、C。活化時間延長至80分鐘，實驗中通水量增加到60 mL/h，記為D。

1.3 吸附能力和表面積和孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系的測試

在低溫氮氣條件下，測定活性碳纖維的三種樣品A、B、C、D性質(zhì)，畫出等溫吸附曲線圖。按照BET方法對比表面積進行計算，采用D-A法計算平均孔徑，采用密度函數(shù)理論（DFT）計算孔徑分布。

1.4 活性炭甲苯動態(tài)吸附

采用連續(xù)進樣方法對甲苯的吸附穿透曲線進行測定。精確稱取20 mg的活性碳纖維，在內(nèi)徑為φ8不銹鋼柱實行均勻填充，程度為20 mm。同時要對氮氣流量進行調(diào)節(jié)，最終調(diào)配成為甲苯和氮氣的混合氣體，并且要保證吸附柱的連續(xù)性吸入。將吸附柱的出口同氣相色譜儀的進口實行連接，采用氫火焰檢驗出口的甲苯濃度。在活性碳纖維的飽和狀態(tài)條件下，獲得穿透曲線圖。

借助外標(biāo)，并法通過式（1）來計算甲苯進口的濃度。

C0=■（1）

式中，C0指甲苯進口濃度，g/mL；V1代表外標(biāo)法中基本的進樣量mL；P1是穿透曲線的終點響應(yīng)值，單位是mV；S1代表了甲苯相應(yīng)峰值面積，mV·min；？籽甲苯代表著甲苯密度，g/mL；V2指氣體的總流量，mL·min。

計算活性碳纖維的甲苯吸附量，需要采用Origin7.0Professional軟件進行，穿透曲線和縱坐標(biāo)圍成的面積可以借助式（2）計算得出：

q=■（2）

其中，q為活性碳纖維吸附甲苯的量，單位g/g；V1代表的是外標(biāo)法中算得的甲苯進樣量，ml；S測代表樣品吸附面積，mV·min；m為吸附柱樣品質(zhì)量，g；S1為V1甲苯相應(yīng)峰面積，mV·min。

甲苯出口的濃度在下面的（3）式中可以計算得到：

C=■（3）

式中，C為出口濃度，mg/mL；R代表氣相色譜的響應(yīng)值， mV；V1外標(biāo)法甲苯下的進樣量，ml；S1是V1為響應(yīng)峰值面積， mV·min。

1.5 活性炭再生功能

吸附劑對甲苯的吸附狀態(tài)達到飽和后，如果無法實現(xiàn)繼續(xù)循環(huán)使用，就會導(dǎo)致資源的浪費和二次污染，在經(jīng)濟效益以及環(huán)保角度，吸附劑的再生性能和其吸附性能研究同樣十分重要。吸附劑的再生循環(huán)利用已經(jīng)成為了判斷其自身性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。[3]在Debasish等人的研究中，采用了加熱法對載甲苯活性炭纖維再次進行處理，在實施了20次的吸脫循環(huán)中，活性碳纖維吸附能力變化不大。華南理工大學(xué)學(xué)者張小平等人的研究中，進行膠基活性炭的基本吸附和再生研究等。但是關(guān)于瀝青基活性碳纖維對甲苯的吸附和再生性能研究相關(guān)報道比較少。文中將廉價的通用瀝青基碳纖維作為實驗的原始材料，在鈷鹽浸漬結(jié)合途徑和蒸汽活化后得到了活性碳纖維，動態(tài)吸附甲苯的性能以及再生循環(huán)性能實施了研究。

活性碳纖維的再生功能研究要實行以下步驟：在活性碳纖維的飽和狀態(tài)下，將吸附裝置開關(guān)打開，在恒溫裝置中逐漸升高吸附柱中的高度，實施脫附措施需要在高度純凈的氮氣條件下進行，同時還要穩(wěn)定甲苯在出口處的濃度，最終將整合過程實現(xiàn)完結(jié)，并將吸脫過程中的步驟進行重復(fù)，并最終完成整個步驟，將吸脫記為一個循環(huán)。

2 研究結(jié)果和分析

2.1 分析活性碳纖維甲苯吸附能力

三種活性碳纖維樣品在18 ℃下的甲苯動態(tài)吸附穿透曲線，如圖1所示，圖1中顯示了活性碳纖維對甲苯的穿透曲線形狀居于高度的相似性，形狀都是典型的倒Z字形，并且顯示了穿透曲線經(jīng)歷的穿透過程耗時較短。

為了進一步對活性碳纖維的表面積以及孔徑的分布進行研究，以及其同甲苯吸附性能的關(guān)系，借助ASAP2 000 M物理吸附儀，對氮氣條件下的活性碳纖維的等溫吸附曲線實現(xiàn)檢測，根據(jù)吸附等溫曲線求出基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

2.2 再生性能分析

活性碳纖維D的吸附穿透曲線，如圖2所示，可以得知在20個吸附過程中，D材料對甲苯仍舊具有十分優(yōu)越的吸附性能，吸附曲線的形狀沒有過大的變換，充分說明了在活性碳纖維D的空隙結(jié)果沒有發(fā)生變化，說明了在加熱再生法條件下制備的活性碳纖維D性能不受影響。

2.3 活性碳纖維在近似條件下的對比

本次實驗和相似實驗條件的高活性碳纖維和再生活性碳纖維性能實行對比。新活性碳纖維的實驗條件為：室溫24 ℃環(huán)境下的1.00 g活性碳纖維的填充高度為70 mm； 甲苯流量為 0.4 m3/h；甲苯的進口平均濃度為98.5 mg/m3，一次性脫附過程實驗條件改變成為：室溫環(huán)境22 ℃；活性碳纖維質(zhì)量1.00 g，維持70 mm填充高度；甲苯流量維持在0.4 m3/h；進口甲苯濃度平均值為110.89 mg/m3。實驗結(jié)果進行顯示，活性碳纖維在經(jīng)歷一次性的脫附操作后，和未實施脫附的干燥纖維對比，吸附能力更強，飽和時間也得到了一定延長，穿透時間也更加長。

3 結(jié) 語

瀝青基活性碳纖維對甲苯的動態(tài)吸附量同表面積和孔徑之間存在聯(lián)系；在鈷鹽催化條件下制備的活性碳纖維吸附能力良好，速度快飽和吸附量較高；瀝青基活性碳纖維可以實現(xiàn)循環(huán)利用，在經(jīng)過多次吸附脫附后，吸附甲苯的能力依然較高。本次實驗對工業(yè)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，根據(jù)工廠的廢氣排除以及流量和濃度等，可以對正交實現(xiàn)的大致性作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對活性碳纖維的用量和填充高度靈活設(shè)置，基于以上實驗結(jié)果，在實際應(yīng)用中可以進一步方法實驗，將工藝過程進行方法，這樣就更有利于工業(yè)的實際應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 李海燕，陳秋飛，張學(xué)軍.瀝青基活性碳纖維動態(tài)吸附甲苯的性能[J].化 工進展，2009，（9）.

[2] 王智慧，張小平，黃華存.活性碳纖維對有機廢氣的吸附及再生[J].化工 新型材料，2005，（3）.

[3] 黃華存，張小平.活性碳纖維吸附甲苯廢氣吸附等溫方程的研究[J].環(huán) 境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，（4）.