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活性碳纤维在固废减量化中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-08-10  来源:环保与安全  浏览次数:56
核心提示:活性碳纤维在固废减量化中的应用1、实验背景1.1、活性碳纤维活性碳纤维(activatedcarbonfiber,简称ACF)是继粉末状、颗粒状活性
活性碳纤维在固废减量化中的应用

1、实验背景

1.1、活性碳纤维

活性碳纤维(activatedcarbonfiber,简称ACF)是继粉末状、颗粒状活性炭之后的第三代新型高效吸附材料,随着高性能碳纤维的发展而出现。活性碳纤维具有丰富的微孔和大的比表面积,吸附速度怏、吸附容量大,耐高温、强酸、强碱和各种有机溶剂,导电,可脱附再生,但也有活性炭成品得率低、单价较高等缺点。一问世就受到普遍的重视,而且成为当今国际上多孔吸附分离材料研究的热点方向。活性碳纤维在水处理、空气净化、溶剂回收、废气处理、医疗卫生、军事等领域展示出良好的应用前景。

活性碳纤维图样



图1.活性碳纤维图样

1.1.1、化学组成

ACF主要成分由碳原子组成,是以碳纤维或预氧化纤维为初始原料,经高温碳化和活化后形成的一种高效吸附材料。制备ACF的前驱体材料主要是各向同性和各向异性的沥青、聚丙烯腈、粘胶丝和酚醛树脂,所用活化方法有物理方法、化学方法以及物理化学法。不同的原料纤维可以制备不同基体的ACF,目前主要有粘胶纤维基ACF、聚丙烯腈基ACF、酚醛基ACF、沥青基ACF、聚乙烯醇 (PVA)基ACF、苯乙烯/烯烃共聚基ACF、木质素纤维基ACF等。其中,前4种均已实现广泛应用,并应用在环境保护 (如水处理、大气污染处理和空气净化 )、电子及能源方面、医学卫生等领域。

1.1.2、吸附机理

ACF属典型的非极性微孔型碳吸附剂,其微孔尺寸与被吸附物质的分子属同一量级。微孔不仅构建了ACF中几乎全部的比表面积,而且因为其相对孔壁之间发生吸附力场的重叠,导致微孔内部吸附势显著增强。于是,在微孔中吸附分子不再像中孔或非极性孔表面上发生单分子或多分子层那样的逐步吸附,而是按吸附势大小依次实现孔容积的逐步充填。尺寸最小的微孔势能最高,早在比压极小时便开始吸附填充,然后陆续扩展到尺寸较大的微孔,直至微孔容积全部填满。

1.1.3、应用现状

日本是目前世界上活性碳纤维产业发展最成熟的国家,其生产技术先进、品种齐全、实现了规模化生产及下游应用。此外,美国、英国、德国等在活性碳纤维的下游应用方面做了大量尝试。聚丙烯腈基活性碳纤维织物作为世界上质量最好的核生化关键防护材料,被用于制作核生化防护服,与传统防护服相比,具有质量轻、穿着舒适、透气性好、抗菌、防火、可有效吸附并阻隔毒气等优点,已经分别装备美国、德国、法国和西班牙军队。

在国内,绝大多数活性碳纤维生产厂家以生产黏胶基活性碳纤维为主,产品均为工业级活性碳纤维毡、布等低档产品。这些产品强力低,容易粉化,实用性差,主要用于溶剂回收、废气处理、水处理等工业领域和空气净化、除臭保鲜、口罩等民用领域,其中用量最大的是用于溶剂回收。

现阶段,国内能够生产黏胶基活性碳纤维的厂家众多,而能够生产聚丙烯腈基、酚醛基、沥青基活性碳纤维的厂家稀少,且存在规模小、缺乏核心竞争力、缺乏高端产品、新技术被国际专利覆盖等问题。一方面,黏胶基活性碳纤维产品产能过剩,而下游市场开发不足;另一方面,聚丙烯腈基、酚醛基、沥青基活性碳纤维的生产技术还未成熟,迟迟未能实现产业化,而市场实际需求得不到满足,这些状况难以在短期内改变。

我国目前高性能的聚丙烯腈基、酚醛基、沥青基活性碳纤维的开发和应用还处在实验室研究阶段,主要的研究机构有中科院山西煤炭化学研究所、清华大学、南京大学、天津大学、吉林大学、中山大学、北京化工大学和东华大学,研究的热点主要集中在实验室制备工艺、改性方法和应用效果试验评价,而产业化所需要的连续式碳化活化炉等关键技术装备的开发在国内一直处于空白。国际上对活性碳纤维生产装备进行封锁,很少有相关信息公开,我国也未能在技术和设备引进方面取得进展。

1.1、实验污水

1.2.1、高浓度染料母液

高浓度染料母液为染料合成过程中产生的含硫酸或盐酸废水,此类废水现阶段主要通过液氨中和、粉末活性炭或颗粒活性碳脱色、MVR浓缩后制备符合质量要求的硫酸铵或氯化铵产品。这种处理方法活性炭需求量大,危险固废产生量多。

1.2.2、低浓度生化出水

低浓度生化出水为公司污水经中和、物化沉淀、水解酸化、缺氧、好氧、SBR处理后即将进入污水管网的废水。受天气、微生物、水量、浓度等因素影响,SBR出水波动性较大,极有可能导致生化出水不达标情况。此外,受国家环保政策影响,纳管排放标准极有可能出现明显提高情况。

鉴于ACF具备蒸汽可以反复再生的特性、活性炭减量化的需求以及污水纳管标准提高的可能,开展ACF吸附、脱附实验实为必要。

活性碳纤维脱色流程图

活性碳纤维脱色流程图



图2.活性碳纤维脱色流程图

2、实验方法

取布氏漏斗若干,最下层放置2层滤纸,上面放5层活性碳纤维,抽滤,将待脱色料液倒入(注:一定确保不发生短路现象)。回收滤液,观察滤液颜色。由于料液与活性碳纤维接触时间很短,滤出液的颜色应介于原液(待脱色料液)与对照号(脱色后料液)之间。

将饱和后ACF取出,用热水进行清洗再生,再生后ACF经烘干后继续做吸附实验。

3、实验结果


4、实验分析

通过对以上实验结果进行分析,基本可以得到:

(1)ACF对高浓度染料母液脱色效果较差或实验室小试难以模拟ACF膜的脱色效果;

(2)热水再生后ACF对染料母液几乎无脱色功能,说明ACF热再生效果较差;

(3)SBR出水经ACF处理后,COD去除率效果明显,说明ACF对低浓度废水处理有一定前景,关键看再生处理情况。

5、实验结论

(1)对比国内外活性碳纤维应用现状可以发现,目前欧美等国生产的活性碳纤维的市场应用格局已经跳脱出以往的纯化、脱色等工业范围,而更广泛的以军事用途为主;国内活性炭纤维主要以低性能的黏胶基为主,高性能的聚丙烯腈基、酚醛基、沥青基活性碳纤维的开发和应用还处在实验室研究阶段;

(2)国内ACF目前主要用于废气处理、溶剂回收、性价比高的产品的提纯等,用在单纯废水处理的工业案例较少;

(3)通过小试发现:ACF对高浓度废水脱色效果较差、对低浓度废水有一定前景,但再生性不确定、再生浓液处理棘手也是一个需要注意的问题;

(4)综合来看:国内ACF尚处于研究阶段,价格昂贵,不确定因素太多,现阶段,欲利用ACF代替活性炭脱色以及生化提标意义不大,项目投资风险太大。
 
关键词: 活性碳纤维
 
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