活性炭纤维对苯的吸附原理及其前景展望

高维娜, 张军明，孙凯

编辑：999策略白菜手机论坛纤维技术研究中心

 

 

(1.兰州石化公司研究院，甘肃兰州730060; 2.兰州石化公司助剂厂，甘肃 兰州730060)

摘要:主要阐述了活性炭纤维吸附原理，并对国内苯废气处理工艺过程作一比较。目前,活性炭纤维对苯废气的吸附应用较为广泛，并且具有较为广阔的发展前景。

关键词:活性炭纤维;吸脱附原理;苯

中图分类号:O643. 36

 

苯属芳香烃类化合物，是煤焦油蒸馏或石油裂解的产物，在常温下为带特殊芳香味的无色透明液体，极易挥发,易燃,有毒性物质接触过量的苯可发生苯中毒。化工生产中有机废气苯的回收是目前化工行业所面临的重大问题。苯因其毒性较大，排入大气后，必然使大气环境质量下降，给人体健康带来严重危害,给国民经济造成巨大损失。同时可将废气中的苯加以回收而作为原材料加以利用。因此，对于苯废气的研究探讨是必要的。

苯氧化法是生产顺酐的传统方法，工艺技术成熟可靠，我国顺酐生产仍以此法为主，而其中有机废气苯的回收是目前化工行业所面临的重大问题。兰炼顺酐车间投产至今,顺酐产品质量较为稳定，自吸收塔排出的尾气中主要成分有:未反应的苯、二甲苯、CO₂、CO、N₂、H₂0、0₂及少量酸性气体等，将尾气送入活性炭纤维吸附装置,除去苯、二甲苯等有机物后排空，其中苯解析冷凝后可以回收并将其作为原料进一步加以反应，以降低原料苯的消耗,而该车间苯的回收装置并未达到预期效果，至今未回收到苯，若按废气中每年损耗苯300t,每吨9000元计算，废气中的苯的浪费直接造成每年约270万的经济损耗，并且给环境和人类健康带来严重的危害。国内外治理有机废气技术主要有深冷、燃烧、吸附3种。采用深冷法设备庞大、能耗高投资大、效果差。燃烧法不能回收有机溶剂，还可能带来二次污染和安全隐患。吸附法是较为普遍应用的方法,在净化废气的同时,回收废气中的有机溶剂,在实际工业生产中常用的吸附剂有活性炭、改性活性炭及活性炭纤维。

 

1  吸脱附原理

吸附作用又称吸着作用，是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的现象。吸附体系由吸附剂和吸附质组成，活性炭纤维是常用吸附剂的一种，活性炭纤维对吸附质分子的吸附，主要取决于表面的物理结构和化学结构,活性炭纤维以其表面大量的不饱和碳构筑成了独特的吸附结构，它是一种典型的的微孔炭，其含有的许多不规则结构(杂环结构)或含有表面官能团的结构，具有极大的表面积，也就造成了微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场，提供一个吸附总分子物理和化变化的高压体系。活性炭纤维不含有大孔，其微孔占大多数当微孔与分子尺寸大小相当时,在范得华力作用下相距很近的吸附场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加而活性炭纤维表面的孔口多，容易吸附和脱附,而且吸脱行程短，因此，活性炭纤维是一种的优良的吸附剂。除了内因外，活性炭的吸附能力还受以下外因的影响: (1)压力越高,吸附力越强; (2)温度越低，吸附力越强; (3)被吸附组分浓度越高，吸附力越强。

脱附过程是在吸附剂结构不变化或者变化极小的情况下，将吸附质从吸附剂孔隙中除去，恢复它的吸附能力。通过再生使用，可以降低处理成本,减少废渣排放,同时回收吸附质。被吸附的组分重新释放，释放的气体浓度高于原混合气的浓度。促进解吸附的条件有: (1)提高温度(热再生); (2)抽真空以降低压力变压解吸附); (3)降低吸附剂周围组织的浓度空气吹扫)。

2 废气苯回收方法

2.1活性 炭对苯废气的吸收

对于低浓度的苯废=气的有效去除方法之一是利用活性炭吸附法。用活性炭作为吸附剂的吸附方法，处理苯废气是控制大气污染广泛采用的技术,而值得研究的问题是寻求-种简单 易行的科学方法提高活性炭的吸附效率。因此，针对含苯废气通过对普通活性炭进行改性处理成为研究方向之一。

2002年，张丽丹、赵晓鹏等人对改性活性炭对苯废气吸附性作一研究。该论文指出，采用酸、碱交替改性活性方法处理普通活性炭，是提高活性炭的苯吸附量,增大比表面积的简单有效方法。2003年,蒋绿林施明恒等在表面活性炭对苯蒸汽吸附分离过程的实验研究一文中,该实验利用静态平衡实验方法对多种活性炭煤质、本质、果壳类、油焦类颗粒碳)吸附剂进行广泛筛选和相关性.能实验，并采用美国ASAP2010C全自动吸附仪进行全过程结构分析,研究表明:活性碳对苯蒸汽的吸附过程为物理吸附,低温有利于吸附，提高温度有利于解吸,吸附、脱附过程与活性炭的结构特征密切相关。改性活性炭吸附剂的吸附容量和工作容量优于一般市售活性炭，并渴望应用于国内石化企业等行业的苯蒸汽吸附回收利用。

2 2  活性炭纤维对苯废气的吸附

有机废气苯的回收，传统的方法是采用活性炭或改性活性炭作为吸附剂,活性炭纤维是多孔碳家族中具有独特性能的一员,具有比表面积大,微孔结构发达，孔径小且分布窄;吸附量大，解吸速度快等特点，活性碳纤维是在20世纪60年代初期发展起来的,20世纪80年代，国外有了以活性炭纤维作为吸附材料的装置问世，是废气中有机溶剂去除率大幅度提高，装置占地更小，运转耗能更低，并且实现了自动化运行。活性炭纤维是继粉状活性炭、粒状活性炭之后的第三代高新吸附材料,与传统的活性炭相比，具有许多特异的性能，是吸附能力更强的吸附剂,具有广阔的发展前景。

对于采用活性炭纤维吸附回收装置处理含苯废气。2003年，李守信张文智等曾对此发表论文,在论文中对处理系统、工艺流程、系统运行参数以及运行安全保障作了具体的叙述。运行实践表明:采用该装置处理含苯废气,苯的吸附效率大于97%,每年可回收270t,企业可得净收益58. 4万元。该论文研究了某农药厂200t/a精 奎禾灵生产中的咪鲜胺化脱水和咪鲜胺锰盐压滤工序排放的含苯废气回收工艺。该装置工艺中2个吸附器共用一个管路系统，运行时相互切换,苯废气由吸附器下部进入而被吸附,脱附时用水蒸汽作为脱附介质蒸汽由吸附器顶部进入，穿过活性碳纤维毡，将被吸附的苯脱附出来并带出吸附器，进入冷凝器,最后是苯和冷凝水分离而回收苯。

齐鲁石化公司采用宇清化工环保产业发展中心研制的活性炭纤维双吸附器流程,用于该公司储运厂液体化工产品装火车槽车废气净化回收,废气中苯系物平均回收率达96. 5%，达国内先进水平。其具体工艺流程采用两个吸附器切换运行, 当吸附器A处于吸附状态时,吸附器B则处于脱附和冷却、干燥状态;切换时间到了之后,尾气、蒸汽等阀门自动切换,吸附器A与B的运行状态互相转换。废气不断地在吸附器A或B中得到净化;被吸附的有机物用蒸汽脱附后进入冷凝器,与蒸汽一起被冷凝为液体，再根据被回收的有机物与水的比重差别分层回收。另外，还研制了三吸附器流程回收装置,该流程采用3个吸附器对有机废气进行净化回收，当吸附器A处于吸附状态时,吸附器B处于蒸汽脱附状态,吸附器C处于冷却、干燥状态;切换时间到了之后，各种阀门自动切换,吸附器A、B、C的运行状态依次转换,循环运行。三吸附器流程比双吸附器流程的投资虽然略高，但对废气中有机物的净化回收率有较大提高。

此外，,深圳百斯特环保有限公司在治理苯类有机废气项目时，采用的是活性炭纤维和蜂窝状活性炭共装,以减少系统阻力增大吸附容量。

目前,国内多家企业，如,油漆涂料喷漆、皮革行业等产生的有机尾气，如，苯、甲苯等的回收装置已采用活性碳纤维ACF作为吸附材料，其工艺流程如下:吸附装置可分为2~3个吸附室，有微电脑控制，自动切换，交替进行吸附，解吸(干燥)等工艺过程;放空的废气经过减压过滤后进入吸附器进行吸附，吸附一定数量有机废气的ACF,用水蒸汽进行解析，解吸出的有机物和水蒸汽-起进入冷凝器中，经冷凝的有机物和水进入分层槽，经分层，上层有机物自动溢流至储槽进行回收利用,下层的冷凝水排入废水处理系统。

3  活性炭纤维吸附现状及前景

随着人类环保意识的增加和绿色化学的提出,活性炭纤维(ACF)的研究与工业应用受到了各国研究人员的密切关注。日本和美国是研究和使用活性炭纤维的大国，我国的起步相对较晚，对活性炭纤维的生产与开发仅处于试用阶段，其应用领域尚未打开。活性炭纤维的再生一直也是影响其普遍使用的关键问题。国内针对活性炭纤维的有效再生报道不多。主要采用再生活性炭的方法再生活性炭纤维有加热药剂生物再生等。

加热再生是普遍再生的方法,此技术目前比较成熟，但再生成本高;药剂再生容易引起二次污染;生物再生还需要进一步研究。因此，以后的研究应对其改善工艺条件，开发新的改性方法及,改善其结构与性能等，实现活性炭纤维的工业化应用,使其更好的发挥作用。此外,活性炭纤维的价格约是活性炭的5~ 100倍,其制造成本要比活性炭、粒状活性炭要高得多，因而在工业应用中还存在一定的局限性，因此,研究开发低成本高强度的活性炭纤维,使其利用于废气回收装置及其他领域的应用也将成为今后的研究发展趋势。

 

参考文献:

[1]孙宏,孙禾.活性炭吸附法油气回收系统在石油库的应用[J]. 安全、健康和环境，2004, 4(7): 14-15.

[2]张丽丹，赵小鹏.改性活性炭对苯废气吸附性能的研究[J]新型炭材料,2002, 17(2):41-43.

[3]蒋绿林,施明恒.活性炭对苯蒸汽吸收分离过程的实验研究[J ].工程热物理学报, 2003, 24 (2): 274-276.

[4] 李守信张文智. 用活性炭纤维吸附回收废气中的苯[J].化工环保,2003 ,23 (4): 229- 230.