VOCs在活性炭纤维上吸附性能的研究

1、第26卷第2期2007年6月大连轻工业学院学报Journal of Dalian Institute of Light IndustryVol.26No.2J un.2007文章编号:100524014(2007022*VOCs 在活性炭纤维上吸附性能的研究薛文平,孙辉,姜莉莉,马春,张新欣(大连工业大学化工与材料学院,辽宁大连116034摘要:采用吸附法去除室内挥发性有机污染物VOCs ,以活性炭纤维(ACF 作为吸附剂,用苯、甲苯作为VOCs 的代表物,对影响活性炭纤维吸附性能的入口气体浓度、气体混合、物化性质、填充密度等因素进行了探讨.实验结果表明,初始浓度大则穿透时间短;甲苯比苯更易被

2、吸附;苯和甲苯混合吸附时,吸附能力强的甲苯有置换吸附能力弱的苯的现象发生;填充密度对穿透时间与饱和时间有影响,密度大利于吸附.关键词:挥发性有机污染物(VOCs ;活性炭纤维;穿透曲线中图分类号:X51文献标识码:AAdsorption performance of VOCs onto activated carbon f iberX UE Wen 2ping ,SUN Hui ,J I ANG Li 2li ,MA Chun ,ZH ANG X in 2xin(School of Chemistry Engineering &Material ,Dalian Polytechnic

3、University ,Dalian 116034,China Abstract :VOCs indoor after removed wit h activated carbon fiber was determined ,in which benzene and toluene were used as rep resentatives of VOCs.The result s showed t hat t he breakt hrough time de 2creased wit h arise in initial co ncent ration ,and t he adsorptio

4、n of toluene was easier t han t hat of ben 2zene.It was happened t hat t he benzene adsorbed in activated carbon fiber could be replaced by toluene when t he mixt ure of benzene and toluene was adsorbed.The increased filling density was favored on adsorption.K ey w ords :VOCs ;activated carbon fiber

5、 (ACF ;breakt hrough curve收稿日期:20072012171作者简介:薛文平(19562,男,教授0引言近些年来,随着生活品质的不断提高,各种装饰、装修材料、日用化学品大量进入家庭,使室内空气中的挥发性有机污染物(VOCs 浓度升高,严重危害人体健康.所以,在居民室内、公共聚集场所都致力于去除VOCs.VOCs 的治理方法主要有催化燃烧法122、冷凝法、吸收法324、生化法5和吸附法627.其中,吸附法因其具有简单、实用、环保等优点而成为最有潜力的去除方法.吸附法去除VOCs 的效率高低主要取决于吸附材料.活性炭纤维(ACF 是继粉末状、粒状活性炭之后发展起来的一种新型

6、吸附材料.同以往的活性炭相比,它具有成型性好、耐酸碱、导电性好和化学稳定等特点.其比表面积巨大、孔隙直接开在纤维表面,具有较好的吸附容量和吸、脱附速度,表面丰富的官能团使其具有一定的吸附选择性,尤其有利于吸附挥发性有机化合物.本文针对室内污染现状,采用活性炭纤维作为吸附材料吸附苯和甲苯,详细研究了入口气体浓度、物化性质、气体混合、填充密度等因素对活性炭纤维吸附性能的影响,为完善实际处理工艺、节约能源和材料提供科学依据与技术.1实验1.1材料吸附剂:本实验采用某国外生产的粘胶基ACF 作为吸附剂,比表面积1300m 2/g ,厚度2.5mm.吸附质:苯,沈阳市试剂五厂,分析纯;甲苯,沈阳新兴试剂

7、厂,分析纯.洗脱剂:本实验洗脱剂采用二硫化碳(上海试一化学试剂有限公司,纯度大于99.5%.使用前进行提纯,用旋转蒸发仪在水浴5565下加热蒸馏、收集,在二硫化碳中加入少量无水氯化钙干燥3h 备用.1.2主要仪器设备玻璃吸附柱,<0.5cm ×25cm ,按国标制备;大气采样器,GS 23交直流两用大气采样机,上海宏伟仪表厂;气相色谱仪,GC122,上海仪器分析总厂;色谱工作站,N2000,浙江大学智能信息工程研究所.1.3实验装置与流程本实验系统的主要组成部分有活性炭纤维吸附柱、阀门、流量计、配气系统(污染物气体发生器和气体收集与分析系统,污染物采样流程如图1.吸附后的固体吸

8、附剂用二硫化碳洗脱,经固液分离获得液体测试样,注入气相色谱仪得到检测结果 .1气体蒸发室2气体混合一室3气体混合二室4转子流量计5氮气钢瓶6ACF 吸附柱7国标测试吸附柱8废气净化瓶9泵图1动态吸附实验装置流程示意图Fig.1Schematic diagram of dynamic adsorption experiment在蒸发室中放入含有纯苯或纯甲苯的蒸发皿,使苯或甲苯自然蒸发,在大气采样器的泵的抽动下,产生的苯或甲苯蒸汽与进入蒸发室的空气充分混合,配制成的混合气体是VOCs 产生源产生的含污染物稳定气体,然后以一定流速进入内充ACF 的吸附柱.ACF 吸附柱后面连接内充颗粒活性炭GAC

9、的国标测试吸附柱,定时采集样品.尾气经强氧化剂处理后排进空气中.2结果与讨论2.1气源浓度对ACF 吸附的影响以苯作为VOCs 的代表物,通过改变苯进气浓度来考察VOCs 进气浓度对ACF 吸附特性的影响.活性炭纤维每次取样均为0.1g ,采样温度均在293K ,操作压力为标准大气压101.3kPa ,气流量定为0.5L/min ,ACF 的填充高度为12cm.实验结果见图2.由图2可见,气体浓度对活性炭纤维吸附有较大影响,进气的初始浓度越高,到达穿透点时间和完全饱和时间越短.实验证明,ACF 吸附VOCs 的机理符合微孔填充理论,等质量同种类ACF ,在其他条件不变的情况下,吸附量基本相等.

10、随着进气浓度的增加,进入ACF 微孔中的苯分子越来越多,苯在四周孔壁的叠加力场作用下被吸附,空白吸附位越来越少,从而缩短了穿透时间和吸附饱和时间.图2苯在不同浓度下在活性炭纤维上的穿透曲线Fig.2Breakthrough curve of benzene over ACF atdifferent concentrations2.2气体混合对ACF 吸附的影响用图1装置对苯与甲苯混合气体进行了吸附试验.活性炭纤维每次取样均为0.1g ,采样温度均在293K ,操作压力为标准大气压101.3kPa ,气流量为0.5L/min ,ACF 的填充高度均为12cm.图3表示混合气体通过ACF 吸附柱的

11、穿透曲线.由图3可见,ACF 对穿过吸附柱的有机混351第2期薛文平等:VOCs 在活性炭纤维上吸附性能的研究 图3苯、甲苯混合气体在ACF上的穿透曲线Fig.3Breakthrough curve of benzene and toluene mix2 ture over ACF合气体进行吸附,吸附柱最先开始穿透时,只有苯一种物质,在30min达到了一个最高值,经过5min后,迅速下降到平衡浓度,吸附能力强的甲苯则在苯从最高点下降时开始穿透,浓度逐渐增大,当两组分的出口浓度渐趋稳定时,ACF达到吸附饱和.图3所示的穿透曲线,显示出明显的二组分吸附特征8;吸附时两组分间存在竞争吸附, ACF对

12、甲苯的吸附能力高于苯,这是由于甲苯分子极化作用强,使甲苯的van der Waals力大于苯;甲苯能从ACF表面置换出已被吸附的部分苯分子,即吸附能力强的组分有置换吸附能力相对弱的组分的现象.2.3物化性质对ACF吸附的影响.VOCs的物化性质对活性炭纤维吸附也有影响.对于同浓度的苯、甲苯,在相同实验条件下,甲苯所需的穿透时间大于苯.说明苯与甲苯在ACF 表面的吸附能力随被吸附质的相对分子量增大而提高,即有机物相对分子量越大,极性越强,穿透时间越长.由图4可知,甲苯的曲线斜率比苯大,甲苯从开始穿透到最终饱和时间比苯短,穿透时间比苯长,吸附效果好.这一现象与前人对活性炭的研究结果不同9,主要原因

13、是活性炭纤维与颗粒活性炭在结构上差异较大,导致吸附性能有较大的变化.实验证实在选用的活性炭纤维表面上存在极性官能团,更易于吸附极性分子.2.4装填密度对ACF吸附的影响同质量的ACF吸附剂,填充高度不同,填充密度也不同.填充密度对ACF吸附也有明显影响,图5初始浓度为200×10-6mol/mol,甲苯在不同填充密度下的穿透曲线.活性炭纤维每次取样为0.1g,温度为293K,操作压力为标准大气压101.3kPa,气流量均为0.5L/min.由图5可见,平均装填密度为0.07567g/cm3 (填充高度7cm的ACF比平均装填密度 为图4不同物化性质VOCs的穿透曲线比较Fig.4Br

14、eakthrough curve of different VOCs图5甲苯在不同装填密度的穿透曲线Fig.5Breakthrough curve of toluene at different densi2 ty of filling0.04384g/cm3(填充高度14cm的ACF穿透时间与吸附饱和时间长,吸附效果好.这说明ACF 的填充密度对甲苯的吸附性能也存在影响:随着吸附柱平均填充密度增加,延长了吸附的穿透时间,但吸附饱和时间则缩短了,穿透曲线斜率越来越大.这是由于ACF的填充密度越小,吸附柱内空隙就越大,有一部分甲苯分子没有接触活性炭纤维便运动出吸附柱,或者接触时间短,没有发生吸附

15、而随载气移动出吸附柱,导致穿透时间提前.因此,等质量的ACF,填充密度越小,通过的甲苯分子流失量就越大,在相同吸附时间下,未被占用的吸附位置就越多,达到吸附饱和的时间就相应的向后延长.实验结果表明,适当增大吸附剂的填充密度有利于吸附.但是,吸附要维持一定的流量,填充密度的增加势必要造成一定的压力损失,所以,在实际应用中,要根据具体的情况,合理的选择填充密度.3结论(1苯、甲苯在ACF上的吸附主要是物理吸附,吸附过程符合微孔填充理论,主要是van der Waals力在吸附过程中起作用.(2气源浓度(初始吸附浓度越大,VOCs在451大连轻工业学院学报第26卷ACF 上的穿透时间与吸附饱和时间越

16、短.(3ACF 属于非极性吸附剂,应该更易于吸附非极性的苯分子,但是实验中发现,在浓度等条件相同的情况下,甲苯在ACF 上的穿透时间比苯长,更易被ACF 吸附,证明所选用的ACF 表面存在极性官能团,更适用于吸附极性分子.(4混合气体(苯、甲苯在ACF 上的吸附有明显的二组分吸附特征,吸附时两组分间存在相互竞争,吸附能力强的甲苯分子有置换吸附能力弱的苯分子的现象发生.(5ACF 的填充密度对甲苯的吸附性能存在影响,增加吸附柱的填充密度,会延长吸附的穿透时间,缩短吸附饱和时间,应用时适当增大吸附剂的填充密度有利于吸附.参考文献:1蔡超,薛屏.Cu 2+掺杂对Ce 2Zr 2O 固溶体结构及苯催化

17、燃烧性能的影响J .宁夏大学学报:自然科学版,2005,26(4:3452348.2王军,沈美庆,王晓玲,等.燃烧法控制有机废气污染的催化剂性能研究J .燃烧科学与技术,2001,7(3:2422244.3李湘凌,林岗,周元祥,等.复方液吸收法处理低浓度苯类废气J .合肥工业大学学报:自然科学版,2002,25(5:7942796.4衣新宇,赵修华,朱登磊.表面活性剂吸收法治理含苯废气的中试实验J .能源环境保护,2004,18(3:24227.5SORIAL G A ,SMIT H F L ,SU IDAN M T.Removalof ammonia f rom contaminated a

18、ir by trickle bed air biofiltersJ .J Air &Waste Manage Assoc ,2001,51:7562765.6FA ISAL I K ,ALO KE K G.Removal of volatile or 2ganic compounds from polluted air J .J Loss Prev Process Ind ,2000,13:5272545.7DAS D ,GAU R V ,V ERMA N.Removal of volatileorganic compound by activated carbon fiber J .Car 2bon ,2004,42:294622962.8金一中,徐灏,谢裕坛.活性炭吸附苯、甲苯废气的研究J .高校化学工程学报,2004,18(2:2582263.9陈秋燕,袁文辉,关建郁.影响活性炭吸附苯系物条件的研究J .华南理工大学学报,2000,2(10:1182120.防霉抗菌生化性功能涂料研制防霉抗菌生化性功能涂料是大连工业大学和大连靓奇化工产品有限公司及大连可利尔环境新材料研究所长期进行产学研一体化的研发成果。该成果所使用的抗菌防霉剂是由自主研发的天然高分子季铵盐杀菌剂和对传统油性杀菌剂进行化学改性进而复合制得的。该复合型杀菌剂具有优良的杀菌效果,经国家建筑