吸附乙酸己酯的活性炭纤维脱附安全性分析

孙永嘉，李 明，方 洁，徐遵主，张纪文

(南京大学环境规划设计研究院股份公司，江苏 南京 210093)

乙酸己酯是一种常见的酯类，沸点171.5 ℃，具有浓郁果香味，毒性低于常见小分子量的乙酸酯类[1]，广泛应用于电子行业器件印刷和烘干工序。乙酸己酯的嗅阈值仅为0.018 ppm，远低于常见的有机溶剂[2]，乙酸己酯使用过程挥发产生的VOCs容易带来异味扰民和周边居民投诉的问题。采用“吸附浓缩+燃烧法”治理乙酸己酯等VOCs废气是解决电子行业异味扰民的有效方法[3-4]，该方法将浓缩后的溶剂燃烧潜热回用于吸附装置的脱附，从而实现吸附剂吸附性能的再生。由于乙酸己酯沸点较高，要想高效地对吸附装置进行再生就需要使得脱附温度达到170 ℃左右，而乙酸己酯的燃点只有235 ℃，由于吸附剂表面存在多孔催化效应，会降低起燃温度，加之脱附过程存在的温度分布不均问题，容易引发安全事故。考虑到干净的活性炭纤维在450 ℃以下不存在燃烧的可能性[5]，且活性炭纤维吸附容量和脱附性能较好[6-7]，采用活性炭纤维作为吸附剂研究吸附乙酸己酯的活性炭纤维在高温下的阴燃情况，进而分析吸附了乙酸己酯的活性炭纤维脱附时的安全性，用以指导工程实践。

1 实 验

1.1 实验仪器

DHG-9030A恒温干燥箱；SX2-2.5-12箱式马弗炉；JY20002电子天平；HH-2恒温水浴锅；ACO-006电磁式空气泵；PV6001手持式气体检测仪。

1.2 实验试剂

CP C8H16O2；BET1600活性炭纤维。

1.3 实验平台

图1 吸附工艺实验平台Fig.1 Adsorption process experiment platform

实验平台主要包括吸附工艺实验平台和样品恒温氧化实验平台，吸附工艺实验平台如图1所示。样品恒温氧化实验平台主要包含恒温干燥箱和箱式马弗炉，恒温干燥箱用于活性炭样品烘干预处理；箱式马弗炉用于吸附饱和后的活性炭纤维阴燃实验。

1.4 实验试剂

CP C8H16O2；BET1600活性炭纤维。

1.5 实验过程

在实验前，取一定量的活性炭纤维在恒温干燥箱烘干1 h直至质量稳定，设定干燥温度为240 ℃，确保实验所用的活性炭纤维存储过程吸附的水分和不稳定挥发分可以充分烘干释放。干燥完成的样品在干燥环境中冷却至环境温度装填至吸附器中，在吸附工艺实验平台进行吸附实验，当排气浓度与进气浓度相差不超过5%时，认定为吸附剂吸附饱和。吸附饱和后的活性炭纤维取出放入箱式马弗炉中恒温氧化，进行阴燃实验。

1.6 评价指标

活性炭纤维对乙酸己酯的吸附效果用饱和吸附率k1表示：

k1=m2/m1×100%

式中：k1为乙酸己酯饱和吸附率，%；m2为污染物的饱和吸附量(吸附后的增重)，g；m1为烘干后的样品质量，g。

活性炭纤维阴燃发生的程度用阴燃质量损失率k2表示：

k2=Δm/m1×100%

式中：k2为阴燃质量损失率，%；Δm为阴燃时，活性炭纤维质量损失，g。

2 结果与讨论

2.1 活性炭纤维对乙酸己酯的饱和吸附率

烘干后的活性炭纤维在进行吸附实验时，对乙酸己酯的吸附能力表现出一定的差异，但总体波动不大，饱和吸附率基本保持在56%～66%之间，如图2所示。实验中所使用的活性炭纤维对乙酸己酯的饱和吸附率最高可达到65.3%，明显高于传统颗粒活性炭和蜂窝活性炭的饱和吸附率。

吸附容量的提高，尤其是穿透容量的提高，可以有效减少“吸附浓缩+燃烧法”VOCs处理工艺中吸附剂的使用量，从而减小设备体积，降低成套装备加工、运输及管理成本，对整个工艺的工程化推进有着重要的意义。

图2 活性炭纤维对乙酸己酯的饱和吸附率数据Fig.2 Saturated adsorption rate data of ACF to hexyl acetate

2.2 乙酸己酯吸附饱和的活性炭纤维阴燃温度

阴燃产生需要达到一定的能量要求，实验过程恒温氧化在200～240 ℃的温度范围进行。由于实验过程存在偶然性因素及测量误差，本研究拟定质量损失率超过3%的认定为发生阴燃，发生阴燃的实验为有效实验组。相关有效实验组数据记录见表1，活性炭纤维对乙酸己酯阴燃温度分布及质量损失率见图3。

表1 活性炭纤维吸附己酸己酯的安全风险评估数据Table 1 ACF adsorption safety risk assessment data for hexyl acetate

图3 活性炭纤维对乙酸己酯阴燃温度分布及质量损失率Fig.3 Smoldering temperature distribution and mass loss rate of ACF saturated of hexyl acetate

表1、图3数据表明，恒温氧化温度达到230 ℃时，吸附饱和乙酸己酯的活性炭纤维样品均发生不同程度的质量损失，质量损失最大的达到27.8%，质量损失最小的为7.5%，且绝大多数的质量损失都保持在15%～25%之间。恒温氧化温度为225 ℃时，存在一定概率的阴燃情况。说明吸附饱和乙酸己酯的活性炭纤维样品，由于在活性炭纤维的活性位点上的多孔催化效应，恒温氧化温度未达到乙酸己酯的燃点时也会发生阴燃现象。

当恒温温度小于225 ℃时，多组重复性实验样品均未发生质量减少，表明当温度低于225 ℃时，吸附了乙酸己酯的活性炭纤维不会发生阴燃。从表中结果可以看出，当温度低于225 ℃时，质量损失存在负值情况，即恒温氧化后的质量相比于烘干预处理后反而增加了，推测可能是因为恒温氧化温度低于烘干温度，在恒温氧化炉中活称量时发生二次吸附。

3 结 论

在一定堆密度下，特定规格的活性炭纤维在吸附乙酸己酯饱和时，阴燃温度在225～230 ℃之间，均低于活性炭纤维和乙酸己酯的燃点，多孔结构材料的催化效应使得燃点下行约10 ℃。使用“活性炭纤维吸附浓缩+燃烧法”治理乙酸己酯等VOCs废气时，设置脱附温度时需要考虑燃点下行的问题，保证充足的安全裕量，避免发生安全事故。应对乙酸己酯这类燃点与沸点非常接近的污染物系的吸附工艺安全问题，可以通过以下两种方式解决。一方面减薄床层，减少热积蓄可能性，在满足吸附处理效果的前提下，尽量使用较少的活性炭纤维；另一方面减小脱附温度的波动范围，增加控温精度。