有机废气净化(溶剂回收)技术---活性炭纤维吸附回收技术d

有机废气净化（溶剂回收）技术---活性炭纤维吸附回收技术

一、吸附原理

吸附剂具有高度发达的孔隙构造，其中有一种被叫做毛细管的小孔，毛细管具有很强的吸附能力，同样发达的孔隙构造也意味着吸附剂有着很大的表面积，使气体（杂质）能与毛细管充分接触，从而被毛细管吸附。当一个分子被毛细管吸附后，由于分子之间存在相互吸引力的原因，会导致更多的分子不断被吸引，直到添满毛细管为止。

必须指出的是，不是所有的微孔都能吸附有害气体，这些被吸附的杂质的分子直径必须是要小于活性炭的孔径，即只有当孔隙结构略大于有害气体分子的直径，能够让有害气体分子完全进入的情况下才能保证杂质被吸附到孔径中，过大或过小都不行。所以需要通过不断地改变原材料和活化条件来创造具有不同的孔径结构的吸附剂，从而适用于各种杂质吸附的应用。

吸附剂在活化过程中，巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成，吸附剂的孔隙的半径大小可分为：大孔半径>20000nm；过渡孔半径150～20000nm；微孔半径<150nm。

二、吸附剂

活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，是一种常见的吸附剂、催化剂或催化剂载体。

活性碳分为粒状活性碳、粉末活性碳及活性碳纤维，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生而被限制利用。

粒状活性碳（GAC-granular activated carbon）一般为直径在0.42 -0.85毫米之间的圆柱状颗粒，理论上讲粒状活性炭产品颗粒越小，接触空气面积就越大，比表面积也越大，吸附性能就越好，但是颗粒越小，粉碎制作过程中损耗也越大，粉尘也越多，成本也就越高，所以很多厂家为降低成本，使用大颗粒活性炭，性能当然不好，一般颗粒大小在0.5毫米左右的活性炭既达到了最佳性能，又确保不是粉末，没有污染。GAC的孔结构一般是具有三分散态的孔分布，既具有按IUPAC（International Union of Pure and Applied Chemistry）分类的孔径大于50nm的大孔，也有2.0～50nm的中孔（过渡孔）和小于2.0nm的微孔。但是由于GAC的孔状结构、孔径分布等原因，它的吸附速度较慢，分离率不高，特别是它的物理形态使其在应用和操作上的有诸多不便，GAC的应用范围收到了限制。

活性碳纤维(ACF)是继粉状与粒状活性碳之后的第三代活性碳产品。70年代发展起来的

活性碳纤维是随着碳纤维工业发展起来的一种新型、高效的吸附剂。其最显著的特点是具有发达的比表面积（1000㎡/g~3000㎡/g）和丰富的微孔，微孔的体积占总孔体积的90%以上，微孔直径约10 Angstrom（1 Angstrom =1×10-10m）左右，故其有很强的吸附能力。

与传统的粒状活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特点：

1、ACF与GAC的孔结构有很大的差异，如图1和图2所示。ACF的孔分布基本上呈单分散态，主要由小于2.0nm的微孔组成，且孔口直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，纤维直径细，故与被吸附物质的接触面积大，增加了吸附几率，且可均匀接触。

图1 ACF和GAC的孔结构模型图2 ACF与GAC的孔径分布

2、比表面积大，最大可达2500㎡/g，约是GAC的10~100倍；吸附容量大，约是GAC 的1.5~100倍；吸附能力为GAC的400倍以上；吸附、脱附速度快，ACF对气体的吸附数10秒至数分钟可达平衡。

3、孔径分布范围窄，绝大多数孔径在100 Angstrom（1 Angstrom =1×10-10m）以下，GAC的内部结构有微孔、过渡孔和大孔之分，而ACF的结构只有微孔及少量的过渡孔，没有大孔，并且孔径均匀，分布比较狭窄，为0.1~1nm，这是ACF吸附选择性较好的原因。

4、ACF不仅对高浓度吸附质的吸附能力明显，对低浓度吸附质的吸附能力也特别优异，如当甲苯气体含量低到10ppm（1ppm＝1×10-6，即百万分之一，以下同）以下时，ACF还能对其吸附，而GAC必须高于100ppm时方能吸附；

5、耐热、耐酸碱；具有很强的氧化还原特性，可将高价金属离子还原为低价态；

6、体积密度小，滤阻小，约是GAC的1/3。可吸附粘度较大的液体物质，且动力损耗小。

而且ACF易再生，工艺灵活性大（可制成纱、布、毡或纸等多种制品）；以及不易粉化和沉降等特征，这些特征有利于吸附和脱附，使得ACF对各种有机化合物具有较大的吸

附量和较快的吸、脱附速度。

吸附剂的吸附性能由吸附剂的比表面积、吸附剂的孔隙直径来决定，其吸附性能的值log[(C0－C)/C]可由下式计算求得：

log[(C0－C)/C]=0.0064S－0.123D－0.935

式中：C0—初始浓度；

C—平衡浓度；

S—吸附剂的比表面积（㎡/g）；

D—吸附剂的孔隙直径（nm）。

由上式可见，吸附剂的比表面积越大吸附能力也越大，吸附剂的孔隙直径越小所具有的吸附能力就越大。

三、再生

活性炭纤维再生脱附的几种方法

（1）升温脱附。物质的吸附量是随温度的升高而减小的，将吸附剂的温度升高，可以使已被吸附的组分脱附下来，这种方法也称为变温脱附，整个过程中的温度是周期变化的。微波脱附是由升温脱附改进的一种技术，微波脱附技术已应用于气体分离、干燥和空气净化及废水处理等方面。在实际工作中，这种方法也是最常用的脱附方法。

（2）减压脱附。物质的吸附量是随着压力升高而升高的，在较高的压力下吸附，降低压力或者抽真空，可以使吸附剂再生，这种方法也称为变压吸附。此法常常用于气体脱附。

（3）冲洗脱附。用不被吸附的气体(液体)冲洗吸附剂，使被吸附的组分脱附下来。采用这种方法必然产生冲洗剂与被吸附组分混合的问题，需要用别的方法将它们分离，因此这种方法存在多次分离的不便性。

（4）置换脱附。置换脱附的工作原理是用比被吸附组分的吸附力更强的物质将被吸组分置换下来。其后果是吸附剂上又吸附了置换上去的物质，必须用别的方法使它们分离。例如，活性炭纤维对Ca2+、Cl-有一定的吸附能力，这些离子占据了吸附活性中心，可对活性炭纤维吸附无机单质或有机物产生不利影响。因此，用活性炭纤维吸附待分离溶液中的物质后，选用CaCl2作为脱附剂可降低活性炭纤维对吸附质的吸附稳定性，从而达到降低脱附活化能的目的。

（5）磁化脱附。由于单分子水的性质比簇团中的水分子活泼得多，能充分显示它的偶极子特性，从而使水的极性增强。预磁处理能增大水的极性，这就能充分解释经过预磁处理