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活性炭纤维吸附-催化燃烧法处理大风量低浓度VOCs废气

 

发布日期:2015-01-20



有 机废气中所含挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs),一般是指温室下饱和蒸气压超过70.91Pa或沸点小于260℃的有机物,包括脂肪烃、芳香烃、酯类、醚类和卤代烃等。 近年来的大量研究表明,碳组分是大气颗粒物中含量最高的化学组分,有机碳(OC)、元素碳(EC)在颗粒物中的质量浓度之和约占颗粒物质量浓度的 20%~50%。大气中的气态挥发性有机物(VOCs)通过光化学反应生成的二次有机碳(SOC)已经成为颗粒物的重要组成。

采用颗粒活性碳固定床吸附VOCs,因受其吸附率低,床层损力大,需采用蒸汽再生等不利因素的影响未能大量推广应用。蜂窝状活性炭吸附-催化燃烧法处理大风 量低浓度VOCs废气从20世纪90年代开始得到了应用[3]-[7]。由于蜂窝状活性炭比粒状活性炭(GAC)具有床层阻力小,可用热空气再生等优点, 基本上解决了活性炭吸附装置连续运转的难题,但仍然存在设备体积庞大、投资高、能耗高等缺点,主要在大型企业中应用,一般中小企业无法承受其费用。

新型吸附材料-活性炭纤维的应用

活性炭纤维(Activated Carbon Fiber, 简称ACF)是20世纪70年代初发展起来的一种新型吸附功能材料,它以粘胶纤维、酚醛树脂纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等为原料,经预处理、炭化和活化 制得。应用状态为毡、布、纸、蜂窝状等。ACF具有粒状活性炭、蜂窝状活性炭不可比拟的一系列优点[8]:(1)ACF的纤维直径细(6~18μm),与 被吸附物的接触面积大(外表面积大),且可均匀接触和吸附,使ACF材料得到充分的利用,效率高;(2)ACF的外表面积和比表面积大,吸附及脱附速度 快,约是GAC的 10~100倍。吸附容量大,约是GAC的1.5~ 10倍。可吸附处理低浓度废气或具有活性高的有机物质。(3)ACF微孔非常丰富,且孔径分布窄,绝大多数孔径在100AO以下,吸附容量高。 (4)ACF的体密度小,滤阻小,约是GAC的1/3,同时ACF的吸附效率高,漏损小,吸附层厚度可薄一些( 一般小于 100mm),占用空间小,滤层压降小,动力消耗少。(5)ACF的强度高,不易粉化,不会造成二次污染。纯度高,杂质少,可用于食品和医疗卫生工业。 (6)因为ACF体密度小和吸附层薄,不会造成蓄热或过热现象,同时,ACF的热稳定性好,脱附温度比GAC 高,事故不易发生,可连续安全作业。(7)以 ACF作吸附剂的“吸附-催化燃烧”净化设备可以做到小型化,节省场地、资金及运行成本。金毓荃等研究以厚度为20mm的ACF 在滤速0.2m/s以下时,当进口浓度值小于 1000mg/m3时,三苯及其混合物的净化效率高于90%以上,对苯系混合物的吸附容量为 195mg/g左右(C进=500mg/m3,C出/C进 =0.5),连续循环14次,实验结果基本保持不变。吸附柱压降400Pa左右[9]。汪明光、陈湛采用厚度50mm的ACF对甲苯废气进行吸附脱附中 试,流量850m3/h,其脱附热风温度为250~270℃,脱附时间15~20min。

以ACF作吸附剂的有机溶剂回收装置,早在20世纪80年代末期日本已有东洋纺织企业、尤尼吉卡企业、东邦人造丝企业等研制成功并批量生产。在相同处理量的 条件下,ACF的填充量仅是GAC的1/25;吸附时间是其1/20,脱附时间是其1/5;装置体积是其1/3,且回收溶剂的质量要比其好得多。

在 ACF的开发研究及应用技术方面,我国与日本相比,约有10~20年的差距。 2000年李泽清利用ACF回收装置对医药中间体生产中反应釜排气进行处理,回收甲苯及四氢呋喃(THF),处理规模2000m3/h。张建军利用ACF回收装置回收水松纸印刷生产工艺中排放的乙醇用于生产[1]。欧海峰等于1999年采用活性炭纤维吸附-催化燃烧装置处理鞋厂 印胶及烘干工序生产的 “三苯”废气,处理风量为14000m3/h,废气出口浓度低于40mg/m3,净化效率达95.6%~ 97%,脱附热风温度120℃,脱附时间6min。

根据原材料纤维的种类及制备工艺的不同,目前市面提供的ACF主要有粘胶基(纤维素、人造丝)、聚丙烯腈(PAC)基,酚醛基、沥青基等品种。各种ACF的性能见表2[15]。

ACF 值得强调的优点是其具有良好的脱附再生性能,脱附完全且速度快,再生吸附量保持率高,对有机溶剂蒸气的吸附,可用热空气或水蒸气再生。工业上用ACF吸附 处理甲苯废气时,连续吸附-再生使用1年(吸附再生周期约25min),纤维的再生吸附量可保持95%以上,连续使用两年,可保持80%以上。ACF的耐 热性强,在450℃以下空气中不失重,因此可在较高温度下脱附再生。

在吸附-催化燃烧法处理大风量低浓度VOCs废气工程中,活性炭纤维(ACF)将可取代颗粒活性炭、蜂窝状活性炭做吸附剂。粘胶基活性炭纤维(VACF)常被用作 VOCs的吸附材料,一方面它对VOCs的吸附容量大,更可贵的是耐温性能好,且温度对 VACF吸附性能影响不大,陈玲、奚旦立利用VACF对印染行业热定型机油烟废气吸附试验发现其吸附温度可达到210℃,且比温度低时吸附量总体上略有升 高。热定型机油烟废气以烷烃类物质为主,含有醛、酮、烃、脂肪酸、醇、酯、内脂等污染物。

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