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活性炭纖維對(duì)苯的吸附原理及其前景展望

高維娜, 張軍明，孫凱

編輯：弗艾博纖維技術(shù)研究中心

 

 

(1.蘭州石化公司研究院，甘肅蘭州730060; 2.蘭州石化公司助劑廠，甘肅 蘭州730060)

摘要:主要闡述了活性炭纖維吸附原理，并對(duì)國內(nèi)苯廢氣處理工藝過程作一比較。目前,活性炭纖維對(duì)苯廢氣的吸附應(yīng)用較為廣泛，并且具有較為廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:活性炭纖維;吸脫附原理;苯

中圖分類號(hào):O643. 36

 

苯屬芳香烴類化合物，是煤焦油蒸餾或石油裂解的產(chǎn)物，在常溫下為帶特殊芳香味的無色透明液體，極易揮發(fā),易燃,有毒性物質(zhì)接觸過量的苯可發(fā)生苯中毒?；どa(chǎn)中有機(jī)廢氣苯的回收是目前化工行業(yè)所面臨的重大問題。苯因其毒性較大，排入大氣后，必然使大氣環(huán)境質(zhì)量下降，給人體健康帶來嚴(yán)重危害,給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。同時(shí)可將廢氣中的苯加以回收而作為原材料加以利用。因此，對(duì)于苯廢氣的研究探討是必要的。

苯氧化法是生產(chǎn)順酐的傳統(tǒng)方法，工藝技術(shù)成熟可靠，我國順酐生產(chǎn)仍以此法為主，而其中有機(jī)廢氣苯的回收是目前化工行業(yè)所面臨的重大問題。蘭煉順酐車間投產(chǎn)至今,順酐產(chǎn)品質(zhì)量較為穩(wěn)定，自吸收塔排出的尾氣中主要成分有:未反應(yīng)的苯、二甲苯、CO?、CO、N?、H?0、0?及少量酸性氣體等，將尾氣送入活性炭纖維吸附裝置,除去苯、二甲苯等有機(jī)物后排空，其中苯解析冷凝后可以回收并將其作為原料進(jìn)一步加以反應(yīng)，以降低原料苯的消耗,而該車間苯的回收裝置并未達(dá)到預(yù)期效果，至今未回收到苯，若按廢氣中每年損耗苯300t,每噸9000元計(jì)算，廢氣中的苯的浪費(fèi)直接造成每年約270萬的經(jīng)濟(jì)損耗，并且給環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重的危害。國內(nèi)外治理有機(jī)廢氣技術(shù)主要有深冷、燃燒、吸附3種。采用深冷法設(shè)備龐大、能耗高投資大、效果差。燃燒法不能回收有機(jī)溶劑，還可能帶來二次污染和安全隱患。吸附法是較為普遍應(yīng)用的方法,在凈化廢氣的同時(shí),回收廢氣中的有機(jī)溶劑,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中常用的吸附劑有活性炭、改性活性炭及活性炭纖維。

 

1  吸脫附原理

吸附作用又稱吸著作用，是兩相交界面上物質(zhì)分子濃度自動(dòng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。吸附體系由吸附劑和吸附質(zhì)組成，活性炭纖維是常用吸附劑的一種，活性炭纖維對(duì)吸附質(zhì)分子的吸附，主要取決于表面的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu),活性炭纖維以其表面大量的不飽和碳構(gòu)筑成了獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，它是一種典型的的微孔炭，其含有的許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)(雜環(huán)結(jié)構(gòu))或含有表面官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)，具有極大的表面積，也就造成了微孔相對(duì)孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場，提供一個(gè)吸附總分子物理和化變化的高壓體系?；钚蕴坷w維不含有大孔，其微孔占大多數(shù)當(dāng)微孔與分子尺寸大小相當(dāng)時(shí),在范得華力作用下相距很近的吸附場發(fā)生疊加，引起微孔內(nèi)吸附勢的增加而活性炭纖維表面的孔口多，容易吸附和脫附,而且吸脫行程短，因此，活性炭纖維是一種的優(yōu)良的吸附劑。除了內(nèi)因外，活性炭的吸附能力還受以下外因的影響: (1)壓力越高,吸附力越強(qiáng); (2)溫度越低，吸附力越強(qiáng); (3)被吸附組分濃度越高，吸附力越強(qiáng)。

脫附過程是在吸附劑結(jié)構(gòu)不變化或者變化極小的情況下，將吸附質(zhì)從吸附劑孔隙中除去，恢復(fù)它的吸附能力。通過再生使用，可以降低處理成本,減少廢渣排放,同時(shí)回收吸附質(zhì)。被吸附的組分重新釋放，釋放的氣體濃度高于原混合氣的濃度。促進(jìn)解吸附的條件有: (1)提高溫度(熱再生); (2)抽真空以降低壓力變壓解吸附); (3)降低吸附劑周圍組織的濃度空氣吹掃)。

2 廢氣苯回收方法

2.1活性 炭對(duì)苯廢氣的吸收

對(duì)于低濃度的苯廢=氣的有效去除方法之一是利用活性炭吸附法。用活性炭作為吸附劑的吸附方法，處理苯廢氣是控制大氣污染廣泛采用的技術(shù),而值得研究的問題是尋求-種簡單 易行的科學(xué)方法提高活性炭的吸附效率。因此，針對(duì)含苯廢氣通過對(duì)普通活性炭進(jìn)行改性處理成為研究方向之一。

2002年，張麗丹、趙曉鵬等人對(duì)改性活性炭對(duì)苯廢氣吸附性作一研究。該論文指出，采用酸、堿交替改性活性方法處理普通活性炭，是提高活性炭的苯吸附量,增大比表面積的簡單有效方法。2003年,蔣綠林施明恒等在表面活性炭對(duì)苯蒸汽吸附分離過程的實(shí)驗(yàn)研究一文中,該實(shí)驗(yàn)利用靜態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)方法對(duì)多種活性炭煤質(zhì)、本質(zhì)、果殼類、油焦類顆粒碳)吸附劑進(jìn)行廣泛篩選和相關(guān)性.能實(shí)驗(yàn)，并采用美國ASAP2010C全自動(dòng)吸附儀進(jìn)行全過程結(jié)構(gòu)分析,研究表明:活性碳對(duì)苯蒸汽的吸附過程為物理吸附,低溫有利于吸附，提高溫度有利于解吸,吸附、脫附過程與活性炭的結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。改性活性炭吸附劑的吸附容量和工作容量優(yōu)于一般市售活性炭，并渴望應(yīng)用于國內(nèi)石化企業(yè)等行業(yè)的苯蒸汽吸附回收利用。

2 2  活性炭纖維對(duì)苯廢氣的吸附

有機(jī)廢氣苯的回收，傳統(tǒng)的方法是采用活性炭或改性活性炭作為吸附劑,活性炭纖維是多孔碳家族中具有獨(dú)特性能的一員,具有比表面積大,微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，孔徑小且分布窄;吸附量大，解吸速度快等特點(diǎn)，活性碳纖維是在20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來的,20世紀(jì)80年代，國外有了以活性炭纖維作為吸附材料的裝置問世，是廢氣中有機(jī)溶劑去除率大幅度提高，裝置占地更小，運(yùn)轉(zhuǎn)耗能更低，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行。活性炭纖維是繼粉狀活性炭、粒狀活性炭之后的第三代高新吸附材料,與傳統(tǒng)的活性炭相比，具有許多特異的性能，是吸附能力更強(qiáng)的吸附劑,具有廣闊的發(fā)展前景。

對(duì)于采用活性炭纖維吸附回收裝置處理含苯廢氣。2003年，李守信張文智等曾對(duì)此發(fā)表論文,在論文中對(duì)處理系統(tǒng)、工藝流程、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行安全保障作了具體的敘述。運(yùn)行實(shí)踐表明:采用該裝置處理含苯廢氣,苯的吸附效率大于97%,每年可回收270t,企業(yè)可得凈收益58. 4萬元。該論文研究了某農(nóng)藥廠200t/a精 奎禾靈生產(chǎn)中的咪鮮胺化脫水和咪鮮胺錳鹽壓濾工序排放的含苯廢氣回收工藝。該裝置工藝中2個(gè)吸附器共用一個(gè)管路系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)相互切換,苯廢氣由吸附器下部進(jìn)入而被吸附,脫附時(shí)用水蒸汽作為脫附介質(zhì)蒸汽由吸附器頂部進(jìn)入，穿過活性碳纖維氈，將被吸附的苯脫附出來并帶出吸附器，進(jìn)入冷凝器,最后是苯和冷凝水分離而回收苯。

齊魯石化公司采用宇清化工環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心研制的活性炭纖維雙吸附器流程,用于該公司儲(chǔ)運(yùn)廠液體化工產(chǎn)品裝火車槽車廢氣凈化回收,廢氣中苯系物平均回收率達(dá)96. 5%，達(dá)國內(nèi)先進(jìn)水平。其具體工藝流程采用兩個(gè)吸附器切換運(yùn)行, 當(dāng)吸附器A處于吸附狀態(tài)時(shí),吸附器B則處于脫附和冷卻、干燥狀態(tài);切換時(shí)間到了之后,尾氣、蒸汽等閥門自動(dòng)切換,吸附器A與B的運(yùn)行狀態(tài)互相轉(zhuǎn)換。廢氣不斷地在吸附器A或B中得到凈化;被吸附的有機(jī)物用蒸汽脫附后進(jìn)入冷凝器,與蒸汽一起被冷凝為液體，再根據(jù)被回收的有機(jī)物與水的比重差別分層回收。另外，還研制了三吸附器流程回收裝置,該流程采用3個(gè)吸附器對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行凈化回收，當(dāng)吸附器A處于吸附狀態(tài)時(shí),吸附器B處于蒸汽脫附狀態(tài),吸附器C處于冷卻、干燥狀態(tài);切換時(shí)間到了之后，各種閥門自動(dòng)切換,吸附器A、B、C的運(yùn)行狀態(tài)依次轉(zhuǎn)換,循環(huán)運(yùn)行。三吸附器流程比雙吸附器流程的投資雖然略高，但對(duì)廢氣中有機(jī)物的凈化回收率有較大提高。

此外，,深圳百斯特環(huán)保有限公司在治理苯類有機(jī)廢氣項(xiàng)目時(shí)，采用的是活性炭纖維和蜂窩狀活性炭共裝,以減少系統(tǒng)阻力增大吸附容量。

目前,國內(nèi)多家企業(yè)，如,油漆涂料噴漆、皮革行業(yè)等產(chǎn)生的有機(jī)尾氣，如，苯、甲苯等的回收裝置已采用活性碳纖維ACF作為吸附材料，其工藝流程如下:吸附裝置可分為2~3個(gè)吸附室，有微電腦控制，自動(dòng)切換，交替進(jìn)行吸附，解吸(干燥)等工藝過程;放空的廢氣經(jīng)過減壓過濾后進(jìn)入吸附器進(jìn)行吸附，吸附一定數(shù)量有機(jī)廢氣的ACF,用水蒸汽進(jìn)行解析，解吸出的有機(jī)物和水蒸汽-起進(jìn)入冷凝器中，經(jīng)冷凝的有機(jī)物和水進(jìn)入分層槽，經(jīng)分層，上層有機(jī)物自動(dòng)溢流至儲(chǔ)槽進(jìn)行回收利用,下層的冷凝水排入廢水處理系統(tǒng)。

3  活性炭纖維吸附現(xiàn)狀及前景

隨著人類環(huán)保意識(shí)的增加和綠色化學(xué)的提出,活性炭纖維(ACF)的研究與工業(yè)應(yīng)用受到了各國研究人員的密切關(guān)注。日本和美國是研究和使用活性炭纖維的大國，我國的起步相對(duì)較晚，對(duì)活性炭纖維的生產(chǎn)與開發(fā)僅處于試用階段，其應(yīng)用領(lǐng)域尚未打開。活性炭纖維的再生一直也是影響其普遍使用的關(guān)鍵問題。國內(nèi)針對(duì)活性炭纖維的有效再生報(bào)道不多。主要采用再生活性炭的方法再生活性炭纖維有加熱藥劑生物再生等。

加熱再生是普遍再生的方法,此技術(shù)目前比較成熟，但再生成本高;藥劑再生容易引起二次污染;生物再生還需要進(jìn)一步研究。因此，以后的研究應(yīng)對(duì)其改善工藝條件，開發(fā)新的改性方法及,改善其結(jié)構(gòu)與性能等，實(shí)現(xiàn)活性炭纖維的工業(yè)化應(yīng)用,使其更好的發(fā)揮作用。此外,活性炭纖維的價(jià)格約是活性炭的5~ 100倍,其制造成本要比活性炭、粒狀活性炭要高得多，因而在工業(yè)應(yīng)用中還存在一定的局限性，因此,研究開發(fā)低成本高強(qiáng)度的活性炭纖維,使其利用于廢氣回收裝置及其他領(lǐng)域的應(yīng)用也將成為今后的研究發(fā)展趨勢。

 

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