曾 樂，王春雷，劉兆燕，周矛峰，呂 琪，王同華

（1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室 化工學(xué)院炭素材料實驗室，遼寧 大連 116024；2. 江蘇同康活性炭纖維特種面料有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226003；3. 河北中環(huán)環(huán)保設(shè)備有限公司，河北 保定 071051）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是主要的大氣污染物之一［1］，按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為芳香烴（苯、甲苯、二甲苯）、酮類、醛類、胺類、鹵代類、不飽和烴類等。VOCs成分復(fù)雜，對人體的危害大，具有毒性和刺激性［2］。VOCs的控制技術(shù)主要包括回收技術(shù)和銷毀技術(shù)。與銷毀技術(shù)相比，回收技術(shù)不但可有效回收有機(jī)廢氣，使之變廢為寶，且不會造成因銷毀（如燃燒處理）而引起的二次污染，對提高經(jīng)濟(jì)效益、改善大氣環(huán)境和人民身心健康都具有十分重要的意義。

活性炭纖維（ACF）作為一種多功能吸附材料，除具有比表面積大、微孔豐富、孔徑小且分布窄、吸附量大、吸-脫附速率快、易再生和工藝靈活等優(yōu)點外，還具有不易粉化和沉降等特點。目前，ACF多用于VOCs的處理和有機(jī)溶劑的回收［3-6］。將ACF用于乙醇和乙醚混合吸附的研究鮮有報道。

本工作以氮氣為載氣，采用動態(tài)吸附法，對比考察了不同的ACF對乙醇、乙醚及模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附性能，為工業(yè)排放的乙醇和乙醚混合廢氣的回收利用提供了依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

乙醇和乙醚：分析純。

ACF：江蘇同康活性炭纖維有限公司。分別采用5種ACF對乙醇和乙醚進(jìn)行吸附，ACF的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 ACF的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

AUTO-1-V-151型全自動吸附儀：美國康塔儀器公司；SP2100型氣相色譜分析儀： 北京北分瑞利分析儀器（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。

1.2 ACF吸附乙醇和乙醚的實驗流程

根據(jù)動態(tài)吸附原理，設(shè)計了動態(tài)法測試ACF吸附性能的實驗裝置。通過模擬工程現(xiàn)場的實際工況、有機(jī)廢氣的組成和濃度，探討ACF吸附乙醇和乙醚的性能。ACF吸附裝置的示意圖見圖1。

圖1 ACF吸附裝置的示意圖

室溫下，通過雙柱塞泵將一定量的有機(jī)溶液打入混合罐，氣化后與由流量積算儀控制流速的氮氣混合?；旌蠚馔ㄟ^緩沖罐均勻混合，得到與實際工況相似的模擬廢氣混合物。模擬混合廢氣進(jìn)入含有一定量ACF的吸附柱（φ 30 mm×80 mm）進(jìn)行吸附，停留時間為3.4 s。通過氣相色譜分析儀測試出口試樣中有機(jī)氣體的含量與組成，得到ACF吸附有機(jī)氣體的穿透曲線及飽和吸附曲線，以確定ACF吸附乙醇和乙醚的效果。

1.3 分析方法

采用全自動吸附儀測定ACF的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。在吸附過程中，當(dāng)吸附柱的出口試樣出現(xiàn)吸附帶時，稱為穿透吸附。按照文獻(xiàn)［7］報道的方法計算穿透吸附量和飽和吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 ACF對乙醇和乙醚的吸附性能

在室溫、乙醇質(zhì)量濃度12.0 mg/L、乙醚質(zhì)量濃度13.0 mg/L的條件下，ACF分別吸附乙醇和乙醚的效果見表2。由表2可見：4種ACF對乙醇和乙醚均具有顯著的吸附性能；當(dāng)ACF分別吸附乙醇和乙醚時，ACF對乙醇的吸附性能高于乙醚；4種ACF對乙醇的穿透吸附量和飽和吸附量分別為60～70 mg/g和339～409 mg/g，對乙醚的穿透吸附量和飽和吸附量分別為50～65 mg/g和301～344 mg/g。這可能是因為乙醇和乙醚分子的大小不同，乙醇分子尺寸較小，ACF吸附的乙醇分子數(shù)多，因此ACF對乙醇的吸附量較大。

由表2還可見，在4種ACF中，比表面積及孔體積較大的ACF-1和ACF-4對乙醇和乙醚的吸附效果較好。較大的比表面積有利于乙醇和乙醚分子與ACF的表面發(fā)生碰撞，使更多的吸附質(zhì)吸附在ACF的表面［8］。ACF-1和ACF-4不僅具有較大的比表面積，同時具有較多孔徑為0.4～1.0 nm的微孔，因此對有機(jī)廢氣表現(xiàn)出較好的吸附能力；而ACF-2和ACF-3的比表面積較小，孔徑為0.4～0.8 nm的微孔較少，因此吸附能力較弱。

此外，相關(guān)文獻(xiàn)指出，當(dāng)吸附劑孔徑為吸附質(zhì)分子直徑的2～6 倍時，孔壁場作用力會相互疊加，增強固體表面和氣體分子的相互作用，有利于表面吸附［9］。乙醇分子的直徑為0.44 nm［10］?；谏鲜鲇^點，有利于吸附乙醇的ACF的孔徑應(yīng)為0.88 nm左右。

表2 4種ACF分別吸附乙醇和乙醚的效果

2.2 ACF對模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附性能

在室溫、模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的質(zhì)量濃度均為11.6 mg/L的條件下，ACF-3和ACF-5對模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附曲線見圖2。由圖2可見，在ACF吸附模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚時，ACF對乙醇的吸附量小于對乙醚的吸附量。這是因為，ACF為非極性吸附劑［11］，表面的非極性位數(shù)目多于極性位，因此對非極性的乙醚分子吸附能力強；并且乙醚的分子尺寸較大，更易被吸附在孔道中，進(jìn)而阻止了ACF對乙醇的吸附。此外，由于乙醚和乙醇的分子尺寸不同，尺寸較小的乙醇分子可以占據(jù)ACF吸附乙醚分子后的剩余空隙，使ACF內(nèi)部孔隙被充分占用。因此，ACF吸附模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的總吸附量大于單獨吸附乙醇或乙醚的吸附量。

由圖2還可見：由于ACF-5具有較大的比表面積和微孔體積，其對模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的吸附效果優(yōu)于ACF-3；當(dāng)吸附時間為120 m in時，ACF-5對乙醇的吸附量為205 mg/g，對乙醚的吸附量為223 mg/g。在吸附中期，乙醇與乙醚的競爭吸附占主導(dǎo)地位，乙醇比乙醚更易穿透，使出氣中的乙醇質(zhì)量濃度大于乙醚質(zhì)量濃度，孔結(jié)構(gòu)及吸附性能相對差的ACF-3在吸附乙醇和乙醚時乙醇更易穿透；在吸附后期，當(dāng)ACF吸附乙醚接近飽和時，乙醇的吸附量仍呈增加趨勢，出口的乙醇質(zhì)量濃度逐漸降低，而乙醚質(zhì)量濃度逐漸增加，說明此時部分乙醚被乙醇置換出來，這可能是因為乙醇分子尺寸較小，可以進(jìn)入到已吸附了乙醚的吸附位中將乙醚頂出。

圖2 ACF-3和ACF-5對模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚的吸附曲線

2.3 ACF-5的重復(fù)使用效果

采用ACF-5吸附模擬混合廢氣中的乙醇和乙醚，達(dá)到穿透吸附后進(jìn)行真空脫附，然后再進(jìn)行吸附，探討ACF-5長時間吸-脫附乙醇和乙醚的效果。在脫附真空度-0.95 Pa、脫附時間20 m in的條件下，ACF-5使用次數(shù)對模擬混合廢氣中乙醇和乙醚吸附效果的影響見圖3。由圖3可見：隨使用次數(shù)的增加，ACF-5的穿透吸附量降低、穿透吸附時間縮短；ACF-5初次使用時乙醇和乙醚的穿透吸附量均為188 mg/g，穿透時間均為27 m in；ACF-5使用17 次時乙醇和乙醚的穿透吸附量均為87 mg/g，穿透時間均為12 m in。這是因為，真空脫附未使ACF-5孔隙中的乙醇和乙醚分子全部脫附出來，造成部分孔隙堵塞，只有部分被打開的微孔在重復(fù)吸附中發(fā)揮吸附作用。多次重復(fù)使用后累積在ACF-5孔隙中的乙醇和乙醚分子增多，導(dǎo)致穿透吸附量降低。

圖3 使用次數(shù)對乙醇和乙醚吸附效果的影響

3 結(jié)論

a）采用ACF-1，ACF-2，ACF-3，ACF-4分別吸附乙醇和乙醚時，在室溫、乙醇質(zhì)量濃度12.0 mg/L、乙醚質(zhì)量濃度13.0 mg/L的條件下，4種ACF對乙醇的穿透吸附量和飽和吸附量分別為60～70 mg/g和339～409 mg/g，對乙醚的穿透吸附量和飽和吸附量分別為50～65 mg/g和301～344 mg/g。在4種ACF分別吸附乙醇和乙醚時，ACF對乙醇的吸附性能高于乙醚。

b）具有較大的比表面積和微孔體積的ACF-5對乙醇和乙醚的吸附效果優(yōu)于ACF-3。在室溫、模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的質(zhì)量濃度均為11.6 mg/L、吸附時間120 m in的條件下，ACF-5對乙醇的吸附量為205 mg/g，對乙醚的吸附量為223 mg/g。

c）在脫附真空度-0.95 Pa、脫附時間20 min的條件下，經(jīng)17 次使用的ACF-5對模擬混合廢氣中乙醇和乙醚的穿透吸附量均為87 mg/g，穿透時間均為12 min。

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