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处理VOCs工程中活性炭类吸附剂的选择

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-08  来源:华北电力大学环境学院  作者:李守信  浏览次数:72
核心提示:我们在采用吸附法处理VOCs的工程中,常常会用到活性炭类吸附剂。因为活性炭类吸附剂属于非极性吸附剂,与沸石分子筛、硅胶、活性
 我们在采用吸附法处理VOCs的工程中,常常会用到活性炭类吸附剂。因为活性炭类吸附剂属于非极性吸附剂,与沸石分子筛、硅胶、活性氧化铝等吸附剂相比,对于VOCs来说,它具有吸附物质种类多、吸附容量大的特点,因此,在处理VOCs的工程上得到了广泛的应用。但是,由于活性炭种类繁多,在应用活性炭类吸附剂时如何正确地选择,是每个吸附器设计者必然面对的问题。
一、活性炭类吸附剂的分类
活性炭是许多具有吸附性能的碳基物质的总称。活性炭的原料是几乎所有的含碳物质。如煤、木材、骨头、果核、坚硬的果壳(如椰壳、核桃壳等),以及废纸浆、废树脂等,将这些含碳物质在低于878K下进行炭化,再用水蒸汽或热空气进行活化处理(还有用氯化锌、氯化镁、氯化钙、磷酸来代替热蒸汽作活化剂的),而得到活性炭。
活性炭的种类较多,按原料来源主要分三大类:煤质炭、果壳类和木质类。而按照活性炭的用途分,你就更多了。世界各国生产的活性炭品种多达数千种,几十个牌号。
用于处理VOCs的活性炭类吸附剂大致分为三类:颗粒活性炭、蜂窝活性炭和活性炭纤维。粉炭多用于水处理和液体的脱色处理。
二、活性炭吸附剂的特点
活性炭是一种非极性吸附剂,具有疏水性和亲有机物的性质,它能吸附绝大部分有机气体,如苯类、醛酮类、醇类、烃类等以及恶臭物质,因此,活性炭常被用来吸附有机溶剂和处理恶臭物质。经过活化处理的活性炭,比表面积一般可达500~1700m2/g,具有优异和广泛的吸附能力。炭分子筛是新近开发的一种孔径均一的分子筛型活性炭新品种,孔径一般在150nm以下,具有良好的选择性吸附能力。
1、颗粒活性炭
普通颗粒活性炭孔径不均一,其中绝大多数为小孔,孔径一般在15nm以下,除此之外,还有少量的中孔和大孔。正是由于活性炭的孔径范围宽,它适用于几乎所有有机气体的吸附,即使对一些极性吸附质,仍然表现出了它的优良的吸附能力,如在SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等有害气体治理中,有着广泛的用途。因此,在吸附操作中,活性炭是一种首选的优良吸附剂。
为了适应一些大分子混合物的吸附处理,近些年又出现了以中孔为主的活性炭,这类活性炭在处理汽油、石脑油等这些含有大分子的混合尾气中发挥出了它独特的优势。
2、蜂窝活性炭
蜂窝活性炭是把粉末状活性炭、水溶性粘合剂、润滑剂和水等经过配料、捏合后挤出成型,再经过干燥、炭化、活化后制成的蜂窝状吸附材料。
蜂窝活性炭的吸附性能基本上等同于颗粒活性炭,与普通的颗粒活性炭相比,它的优点是阻力小,适合处理大风量的气体。
3、活性炭纤维
活性炭纤维是利用超细纤维如粘胶纤维丝、酚醛或腈纶纤维丝等制成粘状、布状或绳状,
然后再经过高温(950℃以上)炭化—活化制成。比表面积达1000~2500 m2/g。同时,由于
其微孔都开在纤维细丝表面,因而孔道极短,与颗粒活性炭比相差2~3个数量级。同时,孔
径均一,绝大多数为特别适合气体吸附的2nm左右的微孔,因而具有更大的有效比表面积。
根据Langmuir吸附理论,吸附剂的吸附容量是和它的比表面积成正比的,据文献介绍,
它的吸附容量是普通颗粒活性炭的1~40倍,吸附速率是颗粒活性炭的10~100倍,又加
上孔道极短,使得活性炭纤维吸附和脱附速率高;同时,使得吸附床层内不易积水。另
外,活性炭纤维使用寿命长,在同等条件下,是普通颗粒活性炭的3~4 倍,大大延长了设
备的使用寿命,相比之下,使设备的年均投资大为降低。因此,活性炭纤维在吸附VOCs工
程中得到了广泛的应用。
三、处理VOCs工程中活性炭吸附剂的选择
1、选择原则
在VOCs处理中,对活性炭吸附剂选择的原则是:根据所吸附的有机气体的分子动力学
直径去选择具有合适孔径的活性炭,其次再去考虑吸附剂的比表面积。目前在对活性炭吸附
能力的评价指标中,给出了许多指标,如吸苯率、碘值、CTC(四氯化碳值)、丁烷值等,
笔者认为,在所有指标中,只有活性炭的比表面积才是最靠谱的,而其它的评价指标都是在
特定条件下测定的,而那些特定条件与你的具体工程实际很难一致,所以,那些指标在选择
吸附剂时只能作为参考,而比表面积才是活性炭吸附能力的重要指标。
这里还必须强调一下,活性炭的比表面积所指的是有效比表面积。由于活性炭的制备条
件不同,造成了它里面的孔道不均匀,有些孔道的孔口过于狭窄,虽然孔道内的尺寸较大,
但是由于孔口较小,使得吸附质分子无法进入,因此,在活性炭比表面积概念中就出现了有
效比表面积的概念。因此,当你利用比表面积的指标去选择活性炭时,为了准确选择,建议
大家最好对吸附剂的比表面积进行一下实际测定(GB/T 7702.21-1997 煤质颗粒活性炭试验方法--比表面积的测定 )。
2、处理VOCs工程中,对三种活性炭吸附剂的选择
(1)如果你的工程中所处理的有机物成分比较单一,确认不含分子动力学直径超过
2nm的大分子物质,建议你最好选择活性炭纤维作吸附材料。因为它吸附容量大,吸附速度快,极易脱附,而且使用寿命长。在一些场合,采用水蒸气脱附后,可以不用干燥,直接转入吸附程序。尤其适用于中、高浓度废气的回收上,表现出很大的优越性,尤以节能方面最为突出,在采用水蒸气脱附时,它的蒸汽耗量只有普通颗粒活性炭的20%-25%。
在这里有必要提醒一句:活性炭纤维是吃“细粮”的,即它只适应于分子动力学直径小于2nm的气体的吸附。
(2)在处理混合的、而且成分比较复杂的有机气体时,比如大量的包装印刷行业、喷
漆行业、涂布行业等产生的有机废气,在作好前处理的前提下,建议采用普通颗粒活性炭,因为它具有很宽的孔径,能够适应多种分子动力学直径的有机分子的吸附。
(3)对于一些特大分子的混合物,如汽油、石脑油等,建议采用中孔活性炭作吸附材
料。因为它的内部含有大量的中孔,可以适应大分子的吸附。
(4)对于大风量、低浓度的混合气体,为了降低床层的阻力,建议最好采用蜂窝活性
炭作为吸附材料,在吸附床层的设计上,尽可能地加大床层的面积,以降低气流的流通阻力,从而达到降低运行费用的目的。
四、结论
在采用吸附法处理VOCs的工程中,首选的吸附剂应该是活性炭类吸附剂。而要想达到
好的吸附效果又节能的目的,必须认真研究所处理气体的成分和其中物质的气体分子动力学直径,去选择适合该种废气的活性炭吸附剂:
(1)若工程中所处理的有机物成分比较单一,确认不含分子动力学直径超过2nm的大分子物质,建议选择活性炭纤维作吸附材料;
(2)在处理混合的、而且成分比较复杂的有机气体时,宜采用普通颗粒活性炭作吸附材料;
(3)对于一些特大分子的混合物,如汽油、石脑油等,建议采用中孔活性炭吸附材料。
(4)对于大风量、低浓度的混合气体,建议采用蜂窝活性炭作为吸附材料。

 
关键词: 活性炭吸附VOCs
 
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