ACF蒸氣再生對于VOCs再吸附性能的影響研究

摘要：ACF吸附－蒸氣再生工藝在醫藥行業有較為廣泛的應用，由于生產工藝的多樣性，廢氣污染因子差異較大，工作選取二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、二甲苯、丙酮為特征污染物，研究其在實際工程應用條件下的吸附水蒸氣再生效果，結果表明，二氧甲烷受蒸氣再生影響最大，其次為二甲苯。二甲苯為高沸點物質，蒸氣再生溫度為120℃，其脫附殘留較高；對二氯甲烷冷烘干時間及熱再生研究，發現其受炭纖維脫附后含水量較高的影響較大，采用熱再生的方式其吸附容量的衰減也較為明顯。實驗室模擬結合工程應用實例表明，廢氣中二氯甲烷濃度含量較高時，不宜選用ACF吸附－蒸氣再生工藝。

關鍵詞：活性炭纖維；揮發性有機物；蒸氣再生；吸附

中圖分類號：X511 文獻標志碼：B

前言

纖維狀活性炭（ACF）是近年來出現的新型活性炭吸附材料，它是利用超細纖維粘膠絲、酚醛纖維或者晴綸纖維等制成氈狀、繩狀或布狀，經高溫炭化及活化制得具有豐富微孔結構的活性炭纖維。2021年，中國活性炭纖維總產能超過2 600 t，活性炭纖維以其較高的吸附容量、快吸快脫的優點在工業VOCs治理領域的應用越來越廣泛。

相較于普通的顆粒活性炭及蜂窩活性炭（750-1 000 m2/g），活性炭纖維的比表面積多為1 100-1 800 m2/g，吸附能力較強；此外，不同于顆粒炭及蜂窩活性炭的微孔吸附VOCs需要通過大孔及中孔過渡，活性炭纖維的微孔分布在外表面，且多為直孔，吸脫附速率快且再生殘留低，使用壽命久。水蒸氣脫附一烘干是活性炭纖維最常用的再生工藝，再生效果是決定炭纖維使用壽命的關鍵因素，除VOCs殘留外，再生過程中引入的水分也會占據ACF的部分微孔孔道，導致其吸附容量下降，其影響程度受物性影響差異較大。

醫藥行業是VOCs治理領域的重難點行業，ACF吸附－蒸氣再生工藝用于回收溶劑可實現其資源化利用。工作以醫藥行業常見污染物為例，研究了工業應用條件下ACF對于二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、二甲苯等物質的水蒸氣吸附再生效果。

1實驗過程

實驗裝置工藝流程如圖1所示，可模擬實際應用工況條件下的VOCs吸附－水蒸氣脫附全過程，實驗裝置包括污染源模擬的配氣系統、吸附系統、水蒸氣脫附系統，配氣系統包括VOCs發生系統、濕度發生系統、空氣預處理系統及混合系統；污染物濃度和濕度的精準控制是通過柱塞泵的液體流量、有機溶劑及水的密度以及氣量估算，柱塞泵為恒流泵．精度為1 uL/min，可控制有機溶劑或水進入氣化器的量，分別在水蒸氣氣化器和VOCs氣化器中經加熱氣化后轉變成為氣態的VOCs及水蒸氣，與冷干機干燥后的環境空氣在緩沖罐內充分混合，即可得到濃度均勻穩定的模擬廢氣。吸附系統包含三個吸附床，可以模擬兩級炭纖維串聯吸附－水蒸氣脫附連續運行的全過程。

吸附材料選用市售活性炭纖維，比表面積為1 255 m2/g，測試條件參考某制藥企業實際工程應用參數。該企業廢氣吸附風量為12 000m3／h，脫附蒸氣用量為120 kg/h，冷烘干風量約為3 500 m3／h。活性炭纖維設備為炭筒形式，過流氣速為0.15 m/s，停留時間1.5 s。兩級串聯吸附，吸附周期為100 min，水蒸氣脫附時間為30 min，冷烘干時間為14 min，靜置時間為1 min。主要污染物類型為二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、丙酮、二甲苯，總進氣濃度為1000-2 000 mg／m3（以非甲烷總烴計）。

2結果與討論

2.1ACF對于不同VOCs的水蒸氣再生效果評估

常見VOCs的物性參數及實驗進氣濃度控制如表1所示，二氯甲烷相較其它物質沸點較低，20℃時飽和蒸氣壓較高，溶劑用量較大，在實際廢氣治理項目中濃度往往較高，因此二氯甲烷的進氣濃度控制在1 000±50 mg／m3，其它污染物的濃度控制在150-200 mg/m3，測試溫度為33℃±3℃，濕度控制在50±5%RH，氣體流速為0.15 m/s，脫附蒸氣用量為吸附氣量的1/10。吸附再生效果如圖2所示。水蒸氣再生后冷烘干時間僅為14 min，ACF纖維由于蒸氣脫附帶來的水分子難以完全脫除，含水率較高，占據了部分吸附孔位，對于VOCs的再吸附效果有一定影響。

對于新ACF，吸附容量二甲苯gt;乙酸乙酯gt;異丙醇gt;丙酮gt;二氯甲烷，二氯甲烷進氣濃度遠高于丙酮，在同等條件下評估其吸附容量低于丙酮。ACF對不同VOCs的吸附容量受其分子動力學直徑及物性的影響，一般來講，活性炭利用率最高的孔徑為有機物分子動力學直徑的1.7-3.0倍。二甲苯的分子動力學直徑大于其它物質，ACF最可幾孔徑利用率最高，因此其吸附容量最高，乙酸乙酯次之，二氯甲烷由于分子動力學直徑過小，ACF對其吸附容量相對較差，二氯甲烷一直是制約ACF吸附一水蒸氣再生工藝在含氯VOCs行業的關鍵因素。

吸附容量衰減排序依次為二氯甲烷（90.0%）gt;二甲苯（46.7%）gt;丙酮（24.2%）gt;異丙醇（11.0%）gt;乙酸乙酯（-33.0%）。研究表明，ACF對二氯甲烷的吸附容量受進氣濕度影響較大，濕度從30.2% RH增加至66.6% RH，吸附容量降低了71.9%，同樣活性炭纖維含水量對二氯甲烷的影響也很大。乙酸乙酯在水中易水解，故其吸附容量有所增加。二甲苯由于其沸點為137℃，水蒸氣脫附溫度僅為120℃，在此工藝條件下難以脫附完全，故水蒸氣再生后吸附容量下降較多。異丙醇和丙酮受ACF含水率影響較小。

2.2ACF吸附二氯甲烷工程應用實效模擬

參考某制藥企業兩級串聯吸附一水蒸氣脫附工藝處理二氯甲烷，廢氣進氣濃度控制在1 000±50 mg／m3，進氣溫度33℃±3℃，進氣濕度55±5%RH，吸附周期為100 min，水蒸氣脫附時間為30 min，冷烘干時間為14 min，靜置時間1min。三個吸附床編號分別為1、2、3，周期分別為1＆2－2＆3－3＆1－1＆2，吸附過程中各吸附床的凈化效率如圖3所示。前三周期時，一級吸附床維持一定時間的高效率后，凈化效率緩慢下降，二級吸附床的凈化效率均大干99.9%，當吸附周期進展到第四輪時，1＆2吸附床均經過兩輪的水蒸氣脫附，40 min后兩級炭床完全穿透。高濃度二氯甲烷的達標排放成為制約該工藝應用產業化推廣的重要因素。

監測ACF吸附二氯甲烷過程中排氣濕度的變化，進氣濕度為52.2% RH時，新ACF初始出口濕度為44.2% RH，此后出口濕度緩慢增加至與進口濕度一致，說明新ACF具有一定的吸水性。經過蒸氣脫附后的ACF本身含水率比較高，一級吸附床初始排氣濕度達80.8%，吸附過程中水分逐漸被帶出，至30 min時，降至57.6% RH，44 min時，出氣濕度為55.9% RH，依然高于進口濕度。二級出口濕度初始為80.0% RH，經100 min后才緩慢降至56.3%RH，初始出口濕度高，水分脫除較快，可能是ACF表面殘余的自由水，后期脫附速度較慢，脫除的水分為ACF微孔內吸附的結合水，需要克服的分子力較大。水蒸氣脫附后冷烘干時長為14 min時，很難將其中水分脫除，可通過延長脫附時間來削減ACF吸附的影響。

2.3冷烘干時長及脫附方式對二氯甲烷吸附效果的影響

二氯甲烷進氣濃度1100±50 mg／m3，氣體流速為0.15 m/s，停留時間為1.5 s的實驗條件下，考察冷烘干時長對于ACF吸附水蒸氣再生處理二氯甲烷實際應用效果的影響。將冷烘干時間由14 min延長至5h，ACF的再吸附容量由6.1 mg／m3提升為36.7 mg／m3，相對于新ACF的吸附容量（61.3 mg／m3），降低了40%，說明延長冷烘干時間有助于ACF二氯甲烷吸附容量的恢復。然而，相對于新ACF烘箱干燥后含水量較低，冷烘干后的ACF由于受冷烘干氣中濕度及再生殘留等因素的影響，損失了部分吸附孔位，無法恢復。

選用熱再生的方式對炭纖維進行再生，再生溫度100℃，再生時長2h，對二氯甲烷再生效果明顯優于冷烘干，隨著熱再生次數的增加，ACF對于二氯甲烷的吸附容量也逐步下降，三次再生的衰減率分別為21.1%、26.6%、31.4%，第一次吸附容量衰減較高，隨著熱再生次數的增加，二氯甲烷的吸附容量呈持續衰減的趨勢。（見圖4）

2.4ACF吸附－水蒸氣再生工程應用實例

將ACF吸附－水蒸氣脫附應用于兩個醫藥企業，工藝條件同工作實驗條件，采用兩級吸附模式處理廢氣，處理裝置模型圖如圖5所示。由于生產工藝不同，兩個企業的主要污染物差異較大，企業一廢氣中含有約485 mg／m3的二氯甲烷，其余組分分別為丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷，合計為非甲烷總烴濃度約為1 862 mg/m3，以上濃度為多次檢測平均值，實際廢氣濃度隨車間生產條件的不同有所波動。廢氣處理裝置運行初期可達標排放，隨著水蒸氣脫附次數的增加，凈化效率逐漸下降，系統運行一周后檢測廢氣出口已超過標準要求，主要超標污染物為二氯甲烷（濃度超60 mg／m3），次要超標污染物為三氯甲烷。企業二廢氣主要污染物為異丙醇、乙酸乙酯、少量苯系物、微量二氯甲烷（lt;10 mg/m3），合計為非甲烷總烴濃度約為1 485 mg/m3，該系統穩定運行一年，廢氣未出現超標情況，檢測其廢氣凈化效率仍可達98.2%。

以上結果表明，當廢氣組分中含有較高濃度二氯甲烷、三氯甲烷等含氯有機物時，受ACF本身對二氯甲烷等小分子有機物的吸附能力及蒸氣再生引入水分、脫附殘留等因素的影響，其凈化效率較差；廢氣中含有較高濃度二氯甲烷時，不適宜采用活性炭纖維吸附－蒸氣再生脫附工藝。

3結論

ACF吸附蒸氣再生工藝在醫藥行業VOCs處理領域應用廣泛，工作研究了在實際應用工況條件下對于二氯甲烷、乙酸乙酯、異丙醇、丙酮、二甲苯等典型污染物的吸附－水蒸氣再生效果。結果表明，蒸氣再生后受ACF吸附容量衰減二氯甲烷（90.0%）gt;二甲苯（46.7%）gt;丙酮（24.2%）gt;異丙醇（11.0%）gt;乙酸乙酯（-33.0%）。ACF對于二氯甲烷本身的吸附作用較差且受水蒸氣再生殘留影響最大，冷烘干時長由14 min延長至5h，再次吸附容量由6.1 mg／m3提升為36.7 mg／m3。熱再生脫附效果優于蒸氣脫附－冷烘干，隨著再生次數的增加，二氯甲烷的吸附容量持續下降。實驗室工程應用效果模擬及工程應用實例表明，二氯甲烷濃度較高時，不適宜采用ACF吸附－蒸氣脫附工藝，此外，二甲苯等高沸點物質由于脫附溫度較低，脫附殘留較高，會對其自身再吸附性能及其它物質的吸附效果造成較大影響。