徐子義，盛 勇

（1.蘇州瑞賽澤環(huán)境設計工程有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.常州常大創(chuàng)業(yè)環(huán)?？萍加邢薰荆K 常州 213161）

環(huán)氧樹脂生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量有機廢氣，如環(huán)氧氯丙烷（CHClO）、甲苯（CHCH）等。當前，一般在工業(yè)生產(chǎn)中采用吸附法對有機廢氣進行處理，因此吸附劑的選取非常關鍵，直接影響有機廢氣處理效果。木炭作為一種吸附材料被使用，已有很長時間。其主要利用內(nèi)部復雜的微細孔道結(jié)構(gòu)吸附其他物質(zhì)，已廣泛應用于水源凈化和防毒面具中。為了提高碳材料的吸附性能，科學家不懈努力，探索具有優(yōu)異吸附性能的新型碳材料。20世紀60年代，人們開始研究活性炭纖維，美國首先成功研制出黏膠基活性炭纖維，揭開了高效吸附功能材料的新篇章。此后，人們相繼開發(fā)出聚丙烯腈基活性炭纖維、酚醛基活性炭纖維（PACF）和瀝青基活性炭纖維等。

活性炭纖維主要由碳原子組成，是在高性能碳纖維研究的基礎上發(fā)展起來的。它是以高聚物為原料，經(jīng)過高溫碳化和活化而制成的一種纖維狀高效吸附或分離材料。高溫碳化就是在惰性氣體保護的條件下，將溫度控制在一定范圍，排除纖維內(nèi)的可揮發(fā)性組分制造孔道空間，并使殘留碳重排生成類似石墨的微晶結(jié)構(gòu)。高溫碳化后的纖維再在高溫下用氧氣、水蒸氣和二氧化碳等氧化性氣體進行活化處理，生成具有豐富空洞、表面形成含氧官能團的活性炭纖維。

PACF 纖維直徑細，比表面積大，微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達，吸附容量大，再生與重復使用性能好，強度大，消耗少，裝填性與設備適應性好，其受到各行業(yè)的關注。與粒狀活性炭相比，PACF 在吸脫速度、處理量、安全性等方面具有許多優(yōu)點，因此在諸多領域得到廣泛應用。本試驗采用化學活化法制備PACF，并將其作為吸附材料處理環(huán)氧樹脂生產(chǎn)過程產(chǎn)生的混合廢氣。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

酚醛纖維為工業(yè)級，由山東登諾新材料科技有限公司生產(chǎn)；環(huán)氧氯丙烷為工業(yè)級，由濟南普萊華化工有限公司生產(chǎn)；甲苯為工業(yè)級，由濟南普萊華化工有限公司生產(chǎn)；氫氧化鉀、氫氧化鈉和鹽酸均為分析純，由國藥集團化學試劑上海有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗儀器

一是氣相色譜儀，型號為Agilent 8890，由美國安捷倫科技公司生產(chǎn)。二是蠕動泵，型號為BT100，由常州維西爾流體技術(shù)有限公司生產(chǎn)。三是電子皂膜流量計，型號為ZM-102B，由北京北分三譜儀器有限責任公司生產(chǎn)。四是1 100 ℃高溫真空氣氛管式爐，型號為篤特GMF-12-350。五是電子分析天平，型號為FA2204B。六是立式鼓風干燥箱（規(guī)格40 L），型號為DHG-9035AE。七是比表面與孔隙度分析儀，型號為ASAP-2020-PLUS。

1.3 試驗方法

1.3.1 PACF 的制備

PACF 采用化學活化法制備。稱取20 g 酚醛纖維，將其加入到濃度1 mol/L 的氫氧化鉀溶液中浸泡1 h，酚醛纖維與氫氧化鉀溶液質(zhì)量比為1∶4；試樣放置在150 ℃烘箱中進行烘干處理，時間為2 h；試樣放置在管式爐中，通過程序升溫進行碳化與活化，設置氮氣保護，第一階段的升溫速率為10 ℃/min，溫度升至350 ℃時保持90 min，第二階段的升溫速率為10 ℃/min，溫度升至600 ℃時保持90 min，自然冷卻至室溫，取出試樣洗滌至中性后烘干，得酚醛基活性炭纖維（PACF）。

對自制PACF 進行物性參數(shù)檢測。該材料的比表面積為1 375 m/g，平均孔徑為2.56 nm，碘吸附值為1 295 mg/g，甲苯吸附值為476 mg/g，環(huán)氧氯丙烷吸附值為574 mg/g。

1.3.2 吸附試驗方案

PACF 吸附環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廢氣的試驗裝置由配氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、吸附柱和檢測系統(tǒng)組成。從有機廢氣配制比例來看，環(huán)氧氯丙烷質(zhì)量分數(shù)為15%（廢氣A），其他有機廢氣質(zhì)量分數(shù)為85%（廢氣B）。配制好的有機廢氣可通入吸附柱進行吸附處理，吸附柱采用盤管式不銹鋼柱。在吸附柱入口旁通管處檢測混合有機廢氣入口濃度，在吸附柱出口處檢測混合有機廢氣的出口濃度。在吸附柱吸附處理混合有機廢氣的過程中，吸附帶在吸附柱出口出現(xiàn)時，單位質(zhì)量吸附材料對有機廢氣的吸附量為穿透吸附量，對應時間為穿透吸附時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢氣進口濃度對PACF 吸附性能的影響

進口廢氣流量為1.6 L/min 時，其他試驗條件不變，研究不同進口廢氣濃度（1 000 mg/m、2 000 mg/m、4 000 mg/m）對PACF 吸附性能的影響，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。從圖1數(shù)據(jù)可以看出，當進口廢氣濃度從1 000 mg/m增加到4 000 mg/m時，廢氣A的出口濃度表現(xiàn)出增長趨勢，即當進口廢氣濃度為1 000 mg/m時，廢氣A 的出口濃度最小，PACF 對廢氣A 的吸附量最大。從圖2數(shù)據(jù)可知，當進口廢氣濃度從1 000 mg/m增加到4 000 mg/m時，廢氣B的出口濃度表現(xiàn)出增長趨勢，即當進口廢氣濃度為1 000 mg/m時，廢氣B 的出口濃度最小，PACF 對廢氣B 的吸附量最大。進口廢氣濃度越大，穿透曲線斜率越大，達到吸附平衡所需時間越短。因此，進口廢氣濃度為1 000 mg/m時，PACF 對混合有機廢氣的吸附性能最佳。

圖1 廢氣A 進口濃度對PACF 吸附性能的影響

圖2 廢氣B 進口濃度對PACF 吸附性能的影響

2.2 廢氣流量對PACF 吸附性能的影響

進口廢氣濃度為1 000 mg/m時，其他試驗條件不變，研究不同進口廢氣流量（0.8 L/min、1.2 L/min、1.6 L/min、2.0 L/min）對PACF 吸附性能的影響，試驗結(jié)果如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可見，當進口廢氣流量從0.8 L/min 增加至2.0 L/min 時，廢氣A 的穿透時間表現(xiàn)為降低趨勢，從85 min 縮短至11 min，廢氣A穿透吸附量表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢，在1.6 L/min時最大值為326 mg/g；廢氣B 的穿透時間表現(xiàn)為降低趨勢，從91 min 縮短至12 min，廢氣B 穿透吸附量表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢，在1.6 L/min 時最大值為383 mg/g。因此，采用PACF 對混合有機廢氣進行吸附處理，進口廢氣流量為1.6 L/min 時，PACF 的吸附性能最佳。

表1 廢氣流量對PACF 吸附性能的影響

2.3 循環(huán)重復使用對PACF 吸附性能的影響

進口廢氣濃度為1 000 mg/m，進口廢氣流量為1.6 L/min，脫附溫度為150 ℃，脫附時間為30 min 時，PACF 重復使用8 次，其穿透吸附量變化如圖3所示。由圖3可知，當PACF 重復使用次數(shù)從1 次增加到8次時，廢氣A 和廢氣B 穿透吸附量均表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢，PACF 重復使用4 次后，廢氣A和廢氣B 基本達到吸附穩(wěn)定值，即255 mg/g 左右。因此，PACF作為吸附材料，具有較好的實踐應用效果，經(jīng)多次循環(huán)使用，其穿透吸附量較高，仍保持良好的吸附性能。

圖3 循環(huán)次數(shù)對PACF 吸附性能的影響

3 結(jié)論

PACF 在處理環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廢氣時表現(xiàn)出較好的吸附性能，當混合廢氣濃度為1 000 mg/m，流量為1.6 L/min 時，廢氣A 和廢氣B 的穿透吸附量分別為326 mg/g、383 mg/g。PACF 可以有效吸附以環(huán)氧氯丙烷、甲苯等為主的有機廢氣。進口廢氣濃度越大，吸附材料達到吸附平衡所需時間越短，因此要頻繁對PACF 進行脫附，試驗時，進口廢氣濃度定為1 000 mg/m。PACF 多次循環(huán)使用后，其穿透吸附量仍可以保持在260 mg/g 左右，其吸附性能良好，PACF 對環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廢氣具有較好的處理效果。