活性炭纤维吸附模拟废气中的乙醇和乙醚

曾 乐，王春雷，刘兆燕，周矛峰，吕 琪，王同华

（1. 大连理工大学 工业生态与环境工程教育部重点实验室 化工学院炭素材料实验室，辽宁 大连 116024；2. 江苏同康活性炭纤维特种面料有限责任公司，江苏 南通 226003；3. 河北中环环保设备有限公司，河北 保定 071051）

挥发性有机化合物（VOCs）是主要的大气污染物之一［1］，按其化学结构可以分为芳香烃（苯、甲苯、二甲苯）、酮类、醛类、胺类、卤代类、不饱和烃类等。VOCs成分复杂，对人体的危害大，具有毒性和刺激性［2］。VOCs的控制技术主要包括回收技术和销毁技术。与销毁技术相比，回收技术不但可有效回收有机废气，使之变废为宝，且不会造成因销毁（如燃烧处理）而引起的二次污染，对提高经济效益、改善大气环境和人民身心健康都具有十分重要的意义。

活性炭纤维（ACF）作为一种多功能吸附材料，除具有比表面积大、微孔丰富、孔径小且分布窄、吸附量大、吸-脱附速率快、易再生和工艺灵活等优点外，还具有不易粉化和沉降等特点。目前，ACF多用于VOCs的处理和有机溶剂的回收［3-6］。将ACF用于乙醇和乙醚混合吸附的研究鲜有报道。

本工作以氮气为载气，采用动态吸附法，对比考察了不同的ACF对乙醇、乙醚及模拟混合废气中的乙醇和乙醚的吸附性能，为工业排放的乙醇和乙醚混合废气的回收利用提供了依据。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

乙醇和乙醚：分析纯。

ACF：江苏同康活性炭纤维有限公司。分别采用5种ACF对乙醇和乙醚进行吸附，ACF的比表面积和孔结构参数见表1。

表1 ACF的比表面积和孔结构参数

AUTO-1-V-151型全自动吸附仪：美国康塔仪器公司；SP2100型气相色谱分析仪： 北京北分瑞利分析仪器（集团）有限责任公司。

1.2 ACF吸附乙醇和乙醚的实验流程

根据动态吸附原理，设计了动态法测试ACF吸附性能的实验装置。通过模拟工程现场的实际工况、有机废气的组成和浓度，探讨ACF吸附乙醇和乙醚的性能。ACF吸附装置的示意图见图1。

图1 ACF吸附装置的示意图

室温下，通过双柱塞泵将一定量的有机溶液打入混合罐，气化后与由流量积算仪控制流速的氮气混合。混合气通过缓冲罐均匀混合，得到与实际工况相似的模拟废气混合物。模拟混合废气进入含有一定量ACF的吸附柱（φ 30 mm×80 mm）进行吸附，停留时间为3.4 s。通过气相色谱分析仪测试出口试样中有机气体的含量与组成，得到ACF吸附有机气体的穿透曲线及饱和吸附曲线，以确定ACF吸附乙醇和乙醚的效果。

1.3 分析方法

采用全自动吸附仪测定ACF的比表面积和孔结构参数。在吸附过程中，当吸附柱的出口试样出现吸附带时，称为穿透吸附。按照文献［7］报道的方法计算穿透吸附量和饱和吸附量。

2 结果与讨论

2.1 ACF对乙醇和乙醚的吸附性能

在室温、乙醇质量浓度12.0 mg/L、乙醚质量浓度13.0 mg/L的条件下，ACF分别吸附乙醇和乙醚的效果见表2。由表2可见：4种ACF对乙醇和乙醚均具有显著的吸附性能；当ACF分别吸附乙醇和乙醚时，ACF对乙醇的吸附性能高于乙醚；4种ACF对乙醇的穿透吸附量和饱和吸附量分别为60～70 mg/g和339～409 mg/g，对乙醚的穿透吸附量和饱和吸附量分别为50～65 mg/g和301～344 mg/g。这可能是因为乙醇和乙醚分子的大小不同，乙醇分子尺寸较小，ACF吸附的乙醇分子数多，因此ACF对乙醇的吸附量较大。

由表2还可见，在4种ACF中，比表面积及孔体积较大的ACF-1和ACF-4对乙醇和乙醚的吸附效果较好。较大的比表面积有利于乙醇和乙醚分子与ACF的表面发生碰撞，使更多的吸附质吸附在ACF的表面［8］。ACF-1和ACF-4不仅具有较大的比表面积，同时具有较多孔径为0.4～1.0 nm的微孔，因此对有机废气表现出较好的吸附能力；而ACF-2和ACF-3的比表面积较小，孔径为0.4～0.8 nm的微孔较少，因此吸附能力较弱。

此外，相关文献指出，当吸附剂孔径为吸附质分子直径的2～6 倍时，孔壁场作用力会相互叠加，增强固体表面和气体分子的相互作用，有利于表面吸附［9］。乙醇分子的直径为0.44 nm［10］。基于上述观点，有利于吸附乙醇的ACF的孔径应为0.88 nm左右。

表2 4种ACF分别吸附乙醇和乙醚的效果

2.2 ACF对模拟混合废气中的乙醇和乙醚的吸附性能

在室温、模拟混合废气中乙醇和乙醚的质量浓度均为11.6 mg/L的条件下，ACF-3和ACF-5对模拟混合废气中的乙醇和乙醚的吸附曲线见图2。由图2可见，在ACF吸附模拟混合废气中的乙醇和乙醚时，ACF对乙醇的吸附量小于对乙醚的吸附量。这是因为，ACF为非极性吸附剂［11］，表面的非极性位数目多于极性位，因此对非极性的乙醚分子吸附能力强；并且乙醚的分子尺寸较大，更易被吸附在孔道中，进而阻止了ACF对乙醇的吸附。此外，由于乙醚和乙醇的分子尺寸不同，尺寸较小的乙醇分子可以占据ACF吸附乙醚分子后的剩余空隙，使ACF内部孔隙被充分占用。因此，ACF吸附模拟混合废气中的乙醇和乙醚的总吸附量大于单独吸附乙醇或乙醚的吸附量。

由图2还可见：由于ACF-5具有较大的比表面积和微孔体积，其对模拟混合废气中乙醇和乙醚的吸附效果优于ACF-3；当吸附时间为120 m in时，ACF-5对乙醇的吸附量为205 mg/g，对乙醚的吸附量为223 mg/g。在吸附中期，乙醇与乙醚的竞争吸附占主导地位，乙醇比乙醚更易穿透，使出气中的乙醇质量浓度大于乙醚质量浓度，孔结构及吸附性能相对差的ACF-3在吸附乙醇和乙醚时乙醇更易穿透；在吸附后期，当ACF吸附乙醚接近饱和时，乙醇的吸附量仍呈增加趋势，出口的乙醇质量浓度逐渐降低，而乙醚质量浓度逐渐增加，说明此时部分乙醚被乙醇置换出来，这可能是因为乙醇分子尺寸较小，可以进入到已吸附了乙醚的吸附位中将乙醚顶出。

图2 ACF-3和ACF-5对模拟混合废气中的乙醇和乙醚的吸附曲线

2.3 ACF-5的重复使用效果

采用ACF-5吸附模拟混合废气中的乙醇和乙醚，达到穿透吸附后进行真空脱附，然后再进行吸附，探讨ACF-5长时间吸-脱附乙醇和乙醚的效果。在脱附真空度-0.95 Pa、脱附时间20 m in的条件下，ACF-5使用次数对模拟混合废气中乙醇和乙醚吸附效果的影响见图3。由图3可见：随使用次数的增加，ACF-5的穿透吸附量降低、穿透吸附时间缩短；ACF-5初次使用时乙醇和乙醚的穿透吸附量均为188 mg/g，穿透时间均为27 m in；ACF-5使用17 次时乙醇和乙醚的穿透吸附量均为87 mg/g，穿透时间均为12 m in。这是因为，真空脱附未使ACF-5孔隙中的乙醇和乙醚分子全部脱附出来，造成部分孔隙堵塞，只有部分被打开的微孔在重复吸附中发挥吸附作用。多次重复使用后累积在ACF-5孔隙中的乙醇和乙醚分子增多，导致穿透吸附量降低。

图3 使用次数对乙醇和乙醚吸附效果的影响

3 结论

a）采用ACF-1，ACF-2，ACF-3，ACF-4分别吸附乙醇和乙醚时，在室温、乙醇质量浓度12.0 mg/L、乙醚质量浓度13.0 mg/L的条件下，4种ACF对乙醇的穿透吸附量和饱和吸附量分别为60～70 mg/g和339～409 mg/g，对乙醚的穿透吸附量和饱和吸附量分别为50～65 mg/g和301～344 mg/g。在4种ACF分别吸附乙醇和乙醚时，ACF对乙醇的吸附性能高于乙醚。

b）具有较大的比表面积和微孔体积的ACF-5对乙醇和乙醚的吸附效果优于ACF-3。在室温、模拟混合废气中乙醇和乙醚的质量浓度均为11.6 mg/L、吸附时间120 m in的条件下，ACF-5对乙醇的吸附量为205 mg/g，对乙醚的吸附量为223 mg/g。

c）在脱附真空度-0.95 Pa、脱附时间20 min的条件下，经17 次使用的ACF-5对模拟混合废气中乙醇和乙醚的穿透吸附量均为87 mg/g，穿透时间均为12 min。

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