謝仕奇 張 摯 周捍東 余光明 高淑國(guó)

[1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇高效林業(yè)資源加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.北美楓情木家居（江蘇）有限公司，江蘇 蘇州 215200 ]

活性炭是一種優(yōu)良的有機(jī)生物多孔材料，具有孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、可再生循環(huán)使用和廢棄后燃料化利用等優(yōu)點(diǎn)[1]，作為吸附材料被廣泛應(yīng)用于氣相污染物的凈化等諸多領(lǐng)域。當(dāng)前國(guó)家對(duì)大氣污染治理提出了更高的要求，針對(duì)工業(yè)廢氣VOCs排放，江蘇、北京、上海等省、直轄市相繼出臺(tái)了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，探索適宜、高效的VOCs處理凈化工藝已成為家具等木制品行業(yè)亟待解決的問(wèn)題[2-6]。

家具等木制品涂裝傳統(tǒng)工藝常采用溶劑型涂料，該工藝涂裝質(zhì)量好，成本相對(duì)較低，深受市場(chǎng)歡迎，但涂裝排氣難以達(dá)到現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VOCs限值的要求。目前有關(guān)木制品涂裝排氣凈化技術(shù)已有大量研究，其中采用活性炭吸附-脫附的工藝是針對(duì)大風(fēng)量、中低濃度廢氣處理較適宜的方案，龐維亮等[7-8]通過(guò)對(duì)活性炭堿改性，增大活性炭的比表面積，提高對(duì)甲苯的吸附容量。胡燕萍[9]采用噴淋-活性炭吸附法對(duì)家具行業(yè)VOCs進(jìn)行治理，取得了較好的凈化效果。Parvulesc等[10-12]采用熱介質(zhì)吹掃的方式對(duì)活性炭脫附再生，左宋林等[13]研究了真空脫附活性炭上揮發(fā)性有機(jī)化合物，潘能婷等[14-18]采用微波工藝對(duì)活性炭加熱脫附再生。雖然熱介質(zhì)和微波脫附有著較好的脫附效果，但熱介質(zhì)脫附升溫速度慢、能耗高；采用微波脫附升溫速度快，但因涂裝排氣中的木粉細(xì)顆粒和脫附解吸釋放有機(jī)物均為可燃物質(zhì)[19-20]，加之工藝條件的波動(dòng)等原因，已發(fā)生過(guò)燃燒現(xiàn)象甚至氣固混合相爆炸事故[21]。據(jù)對(duì)采用溶劑型涂料進(jìn)行木地板涂裝廢氣中特征污染物研究的最新報(bào)道，苯是唯一超標(biāo)的受限排放的特征污染物[22]。為此，本文以粉狀活性炭為對(duì)象，研究空載和飽和吸附苯蒸氣的活性炭在5～30 MHz電場(chǎng)頻率下的介電性能，以期為活性炭用于木制品涂飾廢氣吸附凈化的脫附再生提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用木質(zhì)活性炭為中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與福建元力活性炭有限公司合作開發(fā)的炭材料，含水率12.8%，比表面積1 745.1 m2/g，平均孔徑3.72 nm，CCl4吸附率119%。經(jīng)粉碎機(jī)粉碎至40 目，密閉保存?zhèn)溆?。苯溶液，分析純，上海泰坦化學(xué)有限公司。

1.2 設(shè)備

HPP110恒溫恒濕箱（德國(guó)MEMMERT）；4294A精密阻抗分析儀（美國(guó)AGILENT），頻率范圍40 Hz～30 MHz；800Y多功能粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制品有限公司）；ANALYSETTE3 PRO振動(dòng)篩分儀（德國(guó)FRITSCH）；BS224S型電子天平（德國(guó)SARTORIUS），量程0.001～220 g；JA3001型電子天平（上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司），量程1～3 000 g。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備

稱取60 g粉狀活性炭，以5 mm層厚均勻平鋪在口徑為200 mm的培養(yǎng)皿中；將500 mL苯溶液倒入口徑260 mm的玻璃揮發(fā)皿。再將裝有活性炭層和盛有苯溶液的揮發(fā)皿一并裝入自制的、可加蓋密封的揮發(fā)吸收箱內(nèi)，在室溫條件下利用苯溶液揮發(fā)使活性炭飽和吸附苯蒸氣。每隔24 h稱量吸附有苯蒸氣的活性炭質(zhì)量1 次。稱量時(shí)，裝有活性炭層的玻璃皿從吸收箱內(nèi)取出的同時(shí)，用玻璃器皿蓋將其密封，連同培養(yǎng)皿及密封蓋一并稱量，直至連續(xù)2 次稱量的質(zhì)量誤差小于0.1%；將飽和吸附苯蒸氣的試樣置于避光處保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 介電性能測(cè)定

物質(zhì)的介電特性可以使物質(zhì)像容器一樣在電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存電能，并將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能使物質(zhì)升溫[23]。介電常數(shù)ε'表示物質(zhì)在電場(chǎng)中儲(chǔ)存電荷的能力，介質(zhì)損耗因子ε''體現(xiàn)的是物質(zhì)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力。在射頻加熱中，復(fù)介電常數(shù)ε由公式（1）、（2）確定。

式中：ε0為真空介質(zhì)常數(shù)（8.854×10-12F/m）；ε'為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部（簡(jiǎn)稱介電常數(shù)）；ε''為復(fù)介電常數(shù)的虛部（簡(jiǎn)稱介電損耗）；tanδ為介質(zhì)損耗因子角正切。

采用介電特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)活性碳復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，如圖1 所示。直接測(cè)定材料的等價(jià)并聯(lián)電容Cp和消散因數(shù)D，按照公式（3）、（4）計(jì)算獲得介電參數(shù)：

圖1 介電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)Fig. 1 Dielectric parameter test system

式中：Cp為等價(jià)并聯(lián)電容，F(xiàn)；A為電極面積，m2；ta為測(cè)試材料厚度，m；D為消散因數(shù)。

測(cè)定時(shí)，快速稱取3 g樣品，裝入自制的石蠟環(huán)內(nèi)（內(nèi)徑40 mm，高10 mm），以無(wú)磁性直尺沿著環(huán)口上表面輕輕刮平。隨后將載有試樣的石蠟環(huán)置于測(cè)試系統(tǒng)電極下表面中心，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器，使電極上表面接觸石蠟環(huán)上表面，讀取等價(jià)并聯(lián)電容Cp和消散因數(shù)D，每個(gè)試樣測(cè)定3 次，測(cè)定3 個(gè)平行試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率對(duì)空載活性炭介電特性的影響

在室溫23～25 ℃、環(huán)境空氣濕度52%條件下，測(cè)定粒徑40 目的炭粉在5、6.78、10、13.56、15、20、25、27.12、30 MHz 等9 個(gè)頻率時(shí)的介電參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同頻率下空載活性炭介電特性參數(shù)Tab.1 No-load activated carbon dielectric characteristics at different frequencies

圖2為介電性能隨電場(chǎng)頻率變化的關(guān)系。由圖2a可見，在溫度以及其他條件不變的情況下，隨著電場(chǎng)頻率的提高，活性炭的ε'與頻率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，ε''隨頻率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。介電參數(shù)的變化主要由極化機(jī)制引起，偶極子的內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的能量吸收作用。在高頻電場(chǎng)中，活性炭?jī)?nèi)部極性官能團(tuán)被迅速極化，隨著電場(chǎng)頻率的增大，其極化速度越來(lái)越跟不上電場(chǎng)頻率的變化，極化出現(xiàn)滯后，內(nèi)部偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，則介電常數(shù)相應(yīng)地表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，以往研究也得到了相似的結(jié)果[24]。

圖2 活性炭介電特性隨頻率變化曲線Fig. 2 Variation curve of dielectric properties of activated carbon with frequency

如圖2b所示，tanδ隨頻率增大開始時(shí)不斷上升，當(dāng)頻率超過(guò)15 MHz時(shí)，tanδ反而隨著頻率的增大降低。tanδ的變化和其定義有關(guān)，受ε'和ε''綜合變化規(guī)律的影響。

2.2 飽和吸附活性炭的介電特性

表2 為室溫23～25 ℃、環(huán)境空氣濕度52%條件下，40 目粉狀活性炭飽和吸附苯蒸氣后在頻率5～30 MHz時(shí)的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子。圖3 對(duì)空載和飽和吸附活性炭介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子進(jìn)行比較。

圖3 電場(chǎng)頻率對(duì)空載和飽和吸附活性炭介電特性的影響Fig. 3 Effect of electric field frequency on the dielectric properties of no-load and saturated adsorption activated carbon

表2 不同頻率下飽和吸附活性炭介電特性參數(shù)Tab.2 Parameters of dielectric properties of saturated adsorption activated carbon at different frequencies

從圖3a可見，飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε'隨頻率增加呈指數(shù)函數(shù)降低，在開始階段下降迅速，隨頻率增加，趨于平緩。由圖2b可知，飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε''隨頻率呈線性函數(shù)下降。

對(duì)比空載和飽和吸附活性炭的介電參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者在5～30 MHz內(nèi)變化規(guī)律相同。但飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε'和ε''數(shù)值均大于空載活性炭，ε'增幅為34.6%，ε''增幅在頻率范圍內(nèi)不斷降低，最大值46.1%，最小為5.8%。ε'增大是因?yàn)楸绞且环N弱極性物質(zhì)，被吸附在活性炭的孔隙中，單位體積內(nèi)偶極子數(shù)目增多，在電場(chǎng)的帶動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，增強(qiáng)了活性炭的介電性能。且由于活性炭孔隙中增加了被吸附物質(zhì)苯，電磁波在傳播過(guò)程中發(fā)生了更多的碰撞、反射，增加了傳輸路程，消耗了更多的能量，因此飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε''大于空載活性炭，且隨頻率的增加，受極化滯后效應(yīng)影響，兩者數(shù)值趨于一致。

2.3 高頻電場(chǎng)中介質(zhì)升溫分析

電磁波可被物質(zhì)吸收，不同物質(zhì)吸收電磁波的能力不同，介電損耗因子是衡量一種物質(zhì)吸收電磁波并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力的物理量。物質(zhì)在高頻電場(chǎng)中升高溫度與該物質(zhì)的介電損耗因子、電場(chǎng)的頻率和電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與物質(zhì)的密度和比熱容成反比，它們之間的關(guān)系以公式（5）表示：

式中：t為加熱時(shí)間，s；T為t時(shí)刻溫度，℃；T0為初始溫度，℃；f為電場(chǎng)頻率，Hz；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；m為物質(zhì)質(zhì)量，kg；Cp為物質(zhì)比熱容，J/（kg·℃）；ε''為損耗因子。

由公式（5）可見，介質(zhì)一定時(shí)，其在高頻電場(chǎng)中升溫受頻率f和損耗因子ε''的共同影響。由圖2可知，雖然ε''與頻率f呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是頻率f的增幅大于ε''降低的幅度，溫升隨頻率呈正相關(guān)關(guān)系，頻率越高，升溫越快；因此，理論上，從極化加熱效果的角度，30 MHz是一個(gè)較為理想的加熱頻率，這與以往研究得出的規(guī)律基本一致[25]。

3 結(jié)論

本文研究了活性炭在空載和飽和吸附苯蒸氣條件下，其介電參數(shù)與高頻電場(chǎng)頻率的變化關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1）空載時(shí)活性炭的介電常數(shù)ε'和介質(zhì)損耗因子ε''隨電場(chǎng)頻率變化發(fā)生了明顯的改變，在5～30 MHz范圍內(nèi)，ε'隨頻率增加呈指數(shù)形式下降，ε''呈線性函數(shù)降低。而損耗角正切值tanδ與頻率呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，先增大后降低，最大值出現(xiàn)在15 MHz附近。

2）飽和吸附苯蒸氣活性炭的ε'和ε''隨頻率變化關(guān)系與空載活性炭變化規(guī)律相同，但ε'和ε''數(shù)值都不同程度增加，這說(shuō)明吸附質(zhì)的存在會(huì)增強(qiáng)活性炭對(duì)高頻電場(chǎng)的響應(yīng)能力，利用高頻電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飽和吸附活性炭中的苯進(jìn)行加熱脫附具有可行性。

3）介質(zhì)在高頻電場(chǎng)中加熱升溫時(shí)，升溫速率受介質(zhì)損耗因子與電場(chǎng)頻率的雙重作用影響，在30 MHz時(shí)，加熱效果較佳。

綜上，以活性炭為吸附劑應(yīng)用于地板油漆排氣中苯系物等超標(biāo)污染物凈化時(shí)，采用高頻加熱的方法對(duì)飽和吸附的活性炭進(jìn)行脫附具有可行性，同時(shí)有必要針對(duì)介質(zhì)在高頻電場(chǎng)中溫升和時(shí)間的關(guān)系開展進(jìn)一步研究。