飽和吸附苯蒸氣條件下活性炭對高頻電場的介電響應(yīng)*

謝仕奇 張 摯 周捍東 余光明 高淑國

[1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇高效林業(yè)資源加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.北美楓情木家居（江蘇）有限公司，江蘇 蘇州 215200 ]

活性炭是一種優(yōu)良的有機生物多孔材料，具有孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、可再生循環(huán)使用和廢棄后燃料化利用等優(yōu)點[1]，作為吸附材料被廣泛應(yīng)用于氣相污染物的凈化等諸多領(lǐng)域。當(dāng)前國家對大氣污染治理提出了更高的要求，針對工業(yè)廢氣VOCs排放，江蘇、北京、上海等省、直轄市相繼出臺了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，探索適宜、高效的VOCs處理凈化工藝已成為家具等木制品行業(yè)亟待解決的問題[2-6]。

家具等木制品涂裝傳統(tǒng)工藝常采用溶劑型涂料，該工藝涂裝質(zhì)量好，成本相對較低，深受市場歡迎，但涂裝排氣難以達到現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對VOCs限值的要求。目前有關(guān)木制品涂裝排氣凈化技術(shù)已有大量研究，其中采用活性炭吸附-脫附的工藝是針對大風(fēng)量、中低濃度廢氣處理較適宜的方案，龐維亮等[7-8]通過對活性炭堿改性，增大活性炭的比表面積，提高對甲苯的吸附容量。胡燕萍[9]采用噴淋-活性炭吸附法對家具行業(yè)VOCs進行治理，取得了較好的凈化效果。Parvulesc等[10-12]采用熱介質(zhì)吹掃的方式對活性炭脫附再生，左宋林等[13]研究了真空脫附活性炭上揮發(fā)性有機化合物，潘能婷等[14-18]采用微波工藝對活性炭加熱脫附再生。雖然熱介質(zhì)和微波脫附有著較好的脫附效果，但熱介質(zhì)脫附升溫速度慢、能耗高；采用微波脫附升溫速度快，但因涂裝排氣中的木粉細顆粒和脫附解吸釋放有機物均為可燃物質(zhì)[19-20]，加之工藝條件的波動等原因，已發(fā)生過燃燒現(xiàn)象甚至氣固混合相爆炸事故[21]。據(jù)對采用溶劑型涂料進行木地板涂裝廢氣中特征污染物研究的最新報道，苯是唯一超標(biāo)的受限排放的特征污染物[22]。為此，本文以粉狀活性炭為對象，研究空載和飽和吸附苯蒸氣的活性炭在5～30 MHz電場頻率下的介電性能，以期為活性炭用于木制品涂飾廢氣吸附凈化的脫附再生提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用木質(zhì)活性炭為中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與福建元力活性炭有限公司合作開發(fā)的炭材料，含水率12.8%，比表面積1 745.1 m2/g，平均孔徑3.72 nm，CCl4吸附率119%。經(jīng)粉碎機粉碎至40 目，密閉保存?zhèn)溆谩１饺芤海治黾儯虾Ｌ┨够瘜W(xué)有限公司。

1.2 設(shè)備

HPP110恒溫恒濕箱（德國MEMMERT）；4294A精密阻抗分析儀（美國AGILENT），頻率范圍40 Hz～30 MHz；800Y多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；ANALYSETTE3 PRO振動篩分儀（德國FRITSCH）；BS224S型電子天平（德國SARTORIUS），量程0.001～220 g；JA3001型電子天平（上海浦春計量儀器有限公司），量程1～3 000 g。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制備

稱取60 g粉狀活性炭，以5 mm層厚均勻平鋪在口徑為200 mm的培養(yǎng)皿中；將500 mL苯溶液倒入口徑260 mm的玻璃揮發(fā)皿。再將裝有活性炭層和盛有苯溶液的揮發(fā)皿一并裝入自制的、可加蓋密封的揮發(fā)吸收箱內(nèi)，在室溫條件下利用苯溶液揮發(fā)使活性炭飽和吸附苯蒸氣。每隔24 h稱量吸附有苯蒸氣的活性炭質(zhì)量1 次。稱量時，裝有活性炭層的玻璃皿從吸收箱內(nèi)取出的同時，用玻璃器皿蓋將其密封，連同培養(yǎng)皿及密封蓋一并稱量，直至連續(xù)2 次稱量的質(zhì)量誤差小于0.1%；將飽和吸附苯蒸氣的試樣置于避光處保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 介電性能測定

物質(zhì)的介電特性可以使物質(zhì)像容器一樣在電磁場中儲存電能，并將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能使物質(zhì)升溫[23]。介電常數(shù)ε'表示物質(zhì)在電場中儲存電荷的能力，介質(zhì)損耗因子ε''體現(xiàn)的是物質(zhì)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力。在射頻加熱中，復(fù)介電常數(shù)ε由公式（1）、（2）確定。

式中：ε0為真空介質(zhì)常數(shù)（8.854×10-12F/m）；ε'為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)的實部（簡稱介電常數(shù)）；ε''為復(fù)介電常數(shù)的虛部（簡稱介電損耗）；tanδ為介質(zhì)損耗因子角正切。

采用介電特性測試系統(tǒng)對活性碳復(fù)介電常數(shù)進行測量計算，如圖1 所示。直接測定材料的等價并聯(lián)電容Cp和消散因數(shù)D，按照公式（3）、（4）計算獲得介電參數(shù)：

圖1 介電參數(shù)測試系統(tǒng)Fig. 1 Dielectric parameter test system

式中：Cp為等價并聯(lián)電容，F(xiàn)；A為電極面積，m2；ta為測試材料厚度，m；D為消散因數(shù)。

測定時，快速稱取3 g樣品，裝入自制的石蠟環(huán)內(nèi)（內(nèi)徑40 mm，高10 mm），以無磁性直尺沿著環(huán)口上表面輕輕刮平。隨后將載有試樣的石蠟環(huán)置于測試系統(tǒng)電極下表面中心，通過調(diào)節(jié)螺旋測微器，使電極上表面接觸石蠟環(huán)上表面，讀取等價并聯(lián)電容Cp和消散因數(shù)D，每個試樣測定3 次，測定3 個平行試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率對空載活性炭介電特性的影響

在室溫23～25 ℃、環(huán)境空氣濕度52%條件下，測定粒徑40 目的炭粉在5、6.78、10、13.56、15、20、25、27.12、30 MHz 等9 個頻率時的介電參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同頻率下空載活性炭介電特性參數(shù)Tab.1 No-load activated carbon dielectric characteristics at different frequencies

圖2為介電性能隨電場頻率變化的關(guān)系。由圖2a可見，在溫度以及其他條件不變的情況下，隨著電場頻率的提高，活性炭的ε'與頻率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，ε''隨頻率呈線性負相關(guān)關(guān)系。介電參數(shù)的變化主要由極化機制引起，偶極子的內(nèi)部轉(zhuǎn)動對電磁波具有較強的能量吸收作用。在高頻電場中，活性炭內(nèi)部極性官能團被迅速極化，隨著電場頻率的增大，其極化速度越來越跟不上電場頻率的變化，極化出現(xiàn)滯后，內(nèi)部偶極子轉(zhuǎn)動方向與電場方向相反，則介電常數(shù)相應(yīng)地表現(xiàn)為下降趨勢，以往研究也得到了相似的結(jié)果[24]。

圖2 活性炭介電特性隨頻率變化曲線Fig. 2 Variation curve of dielectric properties of activated carbon with frequency

如圖2b所示，tanδ隨頻率增大開始時不斷上升，當(dāng)頻率超過15 MHz時，tanδ反而隨著頻率的增大降低。tanδ的變化和其定義有關(guān)，受ε'和ε''綜合變化規(guī)律的影響。

2.2 飽和吸附活性炭的介電特性

表2 為室溫23～25 ℃、環(huán)境空氣濕度52%條件下，40 目粉狀活性炭飽和吸附苯蒸氣后在頻率5～30 MHz時的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子。圖3 對空載和飽和吸附活性炭介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子進行比較。

圖3 電場頻率對空載和飽和吸附活性炭介電特性的影響Fig. 3 Effect of electric field frequency on the dielectric properties of no-load and saturated adsorption activated carbon

表2 不同頻率下飽和吸附活性炭介電特性參數(shù)Tab.2 Parameters of dielectric properties of saturated adsorption activated carbon at different frequencies

從圖3a可見，飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε'隨頻率增加呈指數(shù)函數(shù)降低，在開始階段下降迅速，隨頻率增加，趨于平緩。由圖2b可知，飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε''隨頻率呈線性函數(shù)下降。

對比空載和飽和吸附活性炭的介電參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者在5～30 MHz內(nèi)變化規(guī)律相同。但飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε'和ε''數(shù)值均大于空載活性炭，ε'增幅為34.6%，ε''增幅在頻率范圍內(nèi)不斷降低，最大值46.1%，最小為5.8%。ε'增大是因為苯是一種弱極性物質(zhì)，被吸附在活性炭的孔隙中，單位體積內(nèi)偶極子數(shù)目增多，在電場的帶動下發(fā)生轉(zhuǎn)動，增強了活性炭的介電性能。且由于活性炭孔隙中增加了被吸附物質(zhì)苯，電磁波在傳播過程中發(fā)生了更多的碰撞、反射，增加了傳輸路程，消耗了更多的能量，因此飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε''大于空載活性炭，且隨頻率的增加，受極化滯后效應(yīng)影響，兩者數(shù)值趨于一致。

2.3 高頻電場中介質(zhì)升溫分析

電磁波可被物質(zhì)吸收，不同物質(zhì)吸收電磁波的能力不同，介電損耗因子是衡量一種物質(zhì)吸收電磁波并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力的物理量。物質(zhì)在高頻電場中升高溫度與該物質(zhì)的介電損耗因子、電場的頻率和電場強度成正比，與物質(zhì)的密度和比熱容成反比，它們之間的關(guān)系以公式（5）表示：

式中：t為加熱時間，s；T為t時刻溫度，℃；T0為初始溫度，℃；f為電場頻率，Hz；E為電場強度，V/m；m為物質(zhì)質(zhì)量，kg；Cp為物質(zhì)比熱容，J/（kg·℃）；ε''為損耗因子。

由公式（5）可見，介質(zhì)一定時，其在高頻電場中升溫受頻率f和損耗因子ε''的共同影響。由圖2可知，雖然ε''與頻率f呈線性負相關(guān)關(guān)系，但是頻率f的增幅大于ε''降低的幅度，溫升隨頻率呈正相關(guān)關(guān)系，頻率越高，升溫越快；因此，理論上，從極化加熱效果的角度，30 MHz是一個較為理想的加熱頻率，這與以往研究得出的規(guī)律基本一致[25]。

3 結(jié)論

本文研究了活性炭在空載和飽和吸附苯蒸氣條件下，其介電參數(shù)與高頻電場頻率的變化關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1）空載時活性炭的介電常數(shù)ε'和介質(zhì)損耗因子ε''隨電場頻率變化發(fā)生了明顯的改變，在5～30 MHz范圍內(nèi)，ε'隨頻率增加呈指數(shù)形式下降，ε''呈線性函數(shù)降低。而損耗角正切值tanδ與頻率呈二次多項式關(guān)系，先增大后降低，最大值出現(xiàn)在15 MHz附近。

2）飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε'和ε''隨頻率變化關(guān)系與空載活性炭變化規(guī)律相同，但ε'和ε''數(shù)值都不同程度增加，這說明吸附質(zhì)的存在會增強活性炭對高頻電場的響應(yīng)能力，利用高頻電場實現(xiàn)對飽和吸附活性炭中的苯進行加熱脫附具有可行性。

3）介質(zhì)在高頻電場中加熱升溫時，升溫速率受介質(zhì)損耗因子與電場頻率的雙重作用影響，在30 MHz時，加熱效果較佳。

綜上，以活性炭為吸附劑應(yīng)用于地板油漆排氣中苯系物等超標(biāo)污染物凈化時，采用高頻加熱的方法對飽和吸附的活性炭進行脫附具有可行性，同時有必要針對介質(zhì)在高頻電場中溫升和時間的關(guān)系開展進一步研究。