活性碳纖維在 VOCs 處理裝置中吸附性能及效果及措施
目前，活性碳纖維被應用于處理各種的有機廢氣，其相應的研究成果也有很多：本研究主要是以吸附法為主體，活性炭纖維布作為吸附材料，環己烷作為VOCs的模擬物，通過正交實驗探討風速、環己烷流量、ACF布數以及ACF布孔等因素對ACF布的飽和吸附時間和飽和吸附量的影響；同時比較ACF布在無孔和有孔的情況下，風機運行所需要的功率，為合理使用ACF布處理VOCs提供依據，為進一步處理提供依據。
1實驗過程
1.1實驗材料
吸附劑：活性炭纖維布，江蘇蘇通碳纖維有限公司。吸附質：環己烷，天津市富宇精細化工有限公司，分析純。
1.2實驗儀器
實驗所使用的主要儀器見表1。
1.3實驗過程
1.3.1活性炭纖維布的預處理
活性炭纖維布在使用前，要先裁剪成面積略大于48cm×48.5cm的塊狀布，若是實驗中要求有孔的ACF布，則在布上均勻地剪出9個直徑約1cm的小洞(見圖1)。裁剪后，在烘箱中以100℃烘6個小時左右。在烘完冷卻后，應立即轉移至密封袋中，防止重新吸附空氣中。
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1.3.2吸附流程
活性炭纖維布吸附環己烷實驗流程如圖2所示。首先，開動風機，由調控裝置和測風儀調控風速至符合實驗要求。然后把足量的環己烷倒入燒杯中，由流量型蠕動泵定量抽送到數顯調節儀上進行加熱(80℃)后噴出進入風道，經風機引動以一定的流速進入ACF吸附室，此時，可在風道前段的特定位置用VOC儀測定環己烷的初始濃度。在ACF吸附室中由多孔鐵框負載ACF布，用于吸收通入的環己烷，通過吸附室后的氣體在風道后段的特定位置用VOC儀進行定時(3min)的環己烷濃度測定并記錄。
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1.4ACF布吸附性能測定方法
1.4.1ACF布飽和吸附時間測定方法
(1)把實驗要求的ACF負載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。(2)按相應的實驗要求調控好風速和環己烷流量后，開動流量型蠕動泵，同時開始計時。(3)計時開始后，在風道的前段的特定位置，使用VOC儀測定環己烷的初始濃度并記錄；在測定環己烷初始濃度以后，在開始計時后的第3分鐘測定風道后段的環己烷濃度，此后，每隔3分鐘測定1次并記錄，直到環己烷濃度恒定在一個小范圍(±0.1)不變后，停下風機和流量蠕動泵。(4)將上面得到的環己烷初始濃度記為C0，每隔3分鐘所測得的環己烷濃度記為Ct，按公式(1)處理，即可得到相應時間的環己烷透過率Q：Q=Ct/C0(1)處理完成后，做一個Q-t的曲線關系圖，即可在圖上找到相應的飽和吸附時間。
1.4.2ACF布飽和吸附量測定方法
(1)用電子天平測量進行預處理后的ACF布質量，記為g1。
(2)用電子天平測量測量飽和吸附后的ACF布質量，記為g2。
(3)按公式(2)處理即可得到飽和吸附量q。
q=(g2-g1)/g1(2)
1.5風機運行功率測定方法
(1)把實驗要求的ACF負載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。
(2)在調控裝置上調控風機運行的交流電頻率，由測風儀測定風速是否符合實驗要求，若不符合，則繼續調控交流電頻率至風速合適為止。
(3)在調控好風速后，可在調控裝置上讀出該交流電頻率下的電流I和電壓U，由公式(3)即可算出相應的風機運行功率P。
P=IU(3)
1.6活性炭纖維吸附性能測定實驗方案
本次實驗中，選擇風速(A)、ACF布數(B)、ACF布孔(C)以及環己烷流量(D)作為考察ACF布吸附環己烷的吸附性能的4個因素，每個因素選擇2個水平，按L8(24)進行正交實驗，具體測定方案見表2和表3。
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2結果與討論
2.1ACF布對環己烷的吸附性能測定結果與討論
2.1.1ACF布飽和吸附時間和飽和吸附量測定結果
本次正交實驗中，ACF布吸附環己烷的飽和吸附時間和飽和吸附量測定結果見表4。
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表中SⅠ是因素水平為1的飽和吸附時間加和，SⅡ是因素水平為2的飽和吸附時間加和；SⅠ'是因素水平為1的飽和吸附量加和，SⅡ'是因素水平為2的飽和吸附量加和。從表4看出活性炭纖維是有吸附性能的，其吸附屬于物理性吸附，當表面層的物質粒子受到指向內部的拉力，會產生不平衡力場，ACF表面向周圍的介質中捕獲其他的物質粒子，使不平衡力場得到一定補償。揮發性有機化合物在活性炭纖維表面以多段微孔填充的方式迅速、穩定地聚集于ACF微孔內[7,8]。活性炭纖維的優異吸附性能，源于它的高比表面積。日本學者金子克美提出，由于孔壁勢場的疊加效應，當孔徑是吸附質分子直徑的2倍時，較容易發生吸附[9]。對于活性炭等多孔材料，吸附主要發生在內部的微孔部分，大孔和中孔主要起傳遞作用。相比之下(見圖3)，常規活性碳纖維是表面性單分散微孔材料，同樣比表面積，能夠產生吸附作用的面積更大，因而吸附、脫附速度更快、吸附量更大。
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如圖4所示，在風速為1.5m/s和2.1m/s時，SⅡ比SⅠ大，SⅡ’比SⅠ’小，即風速增大，會延長ACF布的飽和吸附時間，同時會降低ACF布的飽和吸附量。雖然風速越大，環己烷分子可以更快地接觸ACF布而被吸附，加快吸附的過程；但同時，風速的增大會使得環己烷分子更快地通過ACF布而不容易被吸附，甚至有部分環己烷分子會因風速增大而脫附，降低了ACF布的吸附的效率，使飽和吸附量降低，同時延長ACF布的吸附飽和時間，這一點與前人的研究結果相符合[10]。
2.1.3ACF布數量對ACF布吸附性能的影響
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如圖5所示，在活性炭纖維布為1塊和2塊時，SⅡ對于SⅠ的差值很大，即ACF布數量對吸附飽和時間的影響很大；且SⅡ'大于SⅠ'，說明ACF布數量的增加能提高ACF布的單位吸附質量。這主要是因為ACF布作為吸附材料在吸附過程中起主導作用。ACF布的增加，即是吸附材料的增加，這能夠直接提高對環己烷的吸附量，延長飽和吸附時間；同時，環己烷能更加充分地與吸附材料接觸，提高吸附效率和飽和吸附量。不過，吸附效率和飽和吸附量的提高也會使得單位吸附質的飽和吸附時間縮短。綜合而言，ACF布數量的增加能有效提高整體吸附質的飽和吸附時間和飽和吸附量，但會縮短單位吸附質的飽和吸附時間。
2.1.4ACF布孔對ACF布吸附性能的影響
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如圖6所示，SⅡ比SⅠ大，SⅠ'比SⅡ'大，即ACF布在有孔的情況下，飽和吸附時間會延長，飽和吸附量會減少。這主要是因為ACF布上孔的存在，會使得在孔附近的氣壓壓強增大，風速有所增強，使得環己烷分子更容易從有孔的位置通過而不被吸收，降低吸附效率，延長飽和吸附的時間；同時，在ACF布上有孔會直接減少吸附材料的面積和質量，使得飽和吸附量減少。
2.1.5環己烷流量對ACF布吸性能的影響
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如圖7所示，在環己烷流量為2mL/min和2.5mL/min時，SⅠ比SⅡ大，SⅡ'比SⅠ'大，即環己烷流量增大，會縮短飽和吸附時間，增大飽和吸附量。這是因為環己烷的流量增大，會直接增加在單位時間內進入到風道中環己烷分子的量，ACF布吸附的環己烷的量就會更多，空白吸附位的填充就會更快更多，使得ACF布的飽和吸附時間縮短，飽和吸附量增大，這一點符合微孔填充理論。
2.2ACF布孔對風機運行功率的影響
在風速為1.5m/s和2.1m/s的條件下，測定了ACF無孔和有孔時的風機運行功率，測定結果見表5。
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如表5所示，在風速為1.5m/s和2.1m/s，ACF布有孔的情況下，風機的運行功率能降低8%~12%，且效果隨ACF布數量增加而更加明顯。這表明：使用帶孔的ACF布作為吸附材料，雖然會延長飽和吸附時間和降低飽和吸附量，但影響并不是特別大，反而在長時間的吸附過程中，使用帶孔的ACF布可以有效地降低風機的能耗，這對于考慮工業上如何節能很有幫助。
3結論
(1)風量的增大能夠加快ACF吸附環己烷，但會使相對飽和吸附量也會由此降低，飽和吸附時間加長。
(2)ACF布數量的增加能明顯提高吸附飽和時間和相對飽和吸附量，但會縮短單位吸附質的飽和時間。
(3)ACF布孔的存在雖然不利于吸附性能，但能夠降低風機運行功率，減少風機長時間運行的能耗，在負載ACF布越多的情況下效果越明顯。
(4)環己烷流量增大，飽和吸附時間變短，飽和吸附量增大。
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