活性碳纤维在有机物吸附回收工程中的应用

张青云

(北京绿创环保集团，北京 102200)

活性碳纤维在有机物吸附回收工程中的应用

张青云

(北京绿创环保集团，北京 102200)

介绍了活性碳纤维的优点、活性炭吸脱附原理以及实际中应注意的事项，以应用活性碳纤维治理三氯乙烯尾气工程为例，分析了活性碳纤维的工程应用情况。

吸附法;活性碳纤维;有机物;吸附回收;工程应用

引言

吸附法主要用于低浓度气态污染物的脱出或回收。在对有机物吸附净化时，主要以活性炭或浸渍活性炭为吸附剂。近年来，随着材料科学、环境科学的不断发展，出现了以活性碳纤维（ACF）为代表的新型吸附剂。在环保领域，活性碳纤维以其优良的性能已获得了越来越多的青睐。但如何在工程中准确应用活性碳纤维进行有机物的吸附回收仍欠缺足够的经验。本文通过对于活性碳纤维优点、活性炭吸脱附原理以及实际中应注意事项的说明，对活性碳纤维工程应用情况进行了详细介绍。

1 活性碳纤维简介

活性碳纤维是以粘胶基纤维、聚丙烯基、沥青基纤维为原料，经高温碳化活化工艺处理制成的新型吸附材料。

1.1 活性碳纤维的优点

（1）吸附速度快，吸附量大

活性碳纤维的众多优点，均起源于它的高比表面积产生的优异的吸附性能。日本学者金子克美提出，由于孔壁势场的叠加效应，当孔径是吸附质分子直径的2倍时，较容易发生吸附[1]。活性炭等多孔材料，吸附主要发生在内部的微孔部分，大孔和中孔主要起传递作用。相比之下，常规活性碳纤维是表面性单分散微孔材料，因而在比表面积相同时，能够产生吸附作用的面积更大，因而吸附量更大，吸附效果更佳。

（2）吸附、脱附行程短、速度快

粒状活性炭直径较大，孔径分布较宽，相比之下，活性碳纤维孔径分布很窄，直径为粒状活性炭的数千分之一[2]。由于有机分子直径普遍较小，因而吸、脱附部分主要是在内部的微孔部分。不同于普通粒状活性炭吸附过程中气体分子必须经过大孔、过渡孔的曲折路径才能到达起吸附作用的微孔，在活性碳纤维吸附过程中，分子可以直接到达微孔部分被吸附，时间短，而且相对可以更彻底地实现再生。

（3）形状多样，便于工程应用

活性碳纤维由于其纤维状特性，可以很方便地制成布、网、纸等多种形状，不仅可为工程应用提供极高的灵活性，更可以通过有效的布置[3]，在吸附过程中有效增大吸附层面积、降低气体流速与气阻。

1.2 活性碳纤维在有机吸附过程中的应用原理

在实际工程应用中，常采用的是半连续式吸附流程，即用两个或两个以上的固定床吸附器，气体连续通过活性碳纤维层，当一个吸附器中的吸附剂达到饱和时，气体就切换到另一台中进行吸附处理，而达到饱和的吸附剂床则进行再生。此类流程适用于连续气体吸附，且方便吸附气体再生，其具体流程如图1。

图1 半连续吸附流程

1.2.1 吸附

活性碳纤维对有机物有很强的选择性吸附功能。当含有有机物的气体通过活性碳纤维层时，其中的氮气、氧气等气体不被吸附得到净化排放；三氯乙烯等有机物则被吸附、分离、富集。

1.2.2 解吸

活性碳纤维对有机物的吸附功能随温度的升高和压力的降低而降低。一般对活性碳纤维上的有机物解吸时采用的是升温解吸原理，当活性碳纤维吸附三氯乙烯等有机物达到一定数量后，停止通入有机气体，用水蒸气进行解吸，随着水蒸气的通入和活性碳纤维层的升温，被吸附的有机物解吸下来并被水蒸气带出活性碳纤维层。

1.2.3 冷凝

解吸下来的三氯乙烯和水蒸气一起进入间接冷凝器，由于基本上没有氮气和氧气的存在，三氯乙烯和水的蒸气在冷凝器管壁的温度下，迅速冷凝为液体得到回收。不凝气回到本装置尾气入口处，再次进行净化回收。

2 应用工程实例

某三氯乙烯回收项目，其工程项目指标由保定风帆美新蓄电池隔板制造有限公司提供。处理的废气为三氯乙烯。在该工程中，三氯乙烯作为生产蓄电池隔板的萃取剂，极易挥发，不仅造成原材料的浪费，更对环境造成了严重污染，该物质为致癌物质，人体吸入后，会对中枢神经系统产生危害。为减少资源浪费和环境污染，该项目应用了以活性碳纤维吸附回收三氯乙烯尾气的治理工程。

2.1 工程主要技术指标及运行

该工程的主要技术指标为：尾气流量在7000m3/h左右；尾气中三氯乙烯排放量约550kg/h，含有微量油，其余为空气；排放方式为连续排放。

该治理装置共设6台吸附箱（两组并联）切换运行，其中4台吸附箱处于吸附状态，1台吸附箱处于通蒸气解吸状态，1台吸附箱处于通空气冷却干燥状态，达到程序设定的时间后，各阀门自动开关，各箱的运行状态自动切换。吸附工艺流程见图2。

图2 六箱吸附工艺流程

（1）吸附

当吸附箱体处于吸附状态时，尾气入口档板阀启动打开，解吸气体出口阀关闭，尾气进入箱体，尾气通过吸附芯活性碳纤维层，此时吸附芯出口阀打开，其他控制阀关闭，尾气经活性碳纤维吸附后，从箱体上部的排放口排入大气。

（2）解吸

当箱体吸附达到设定吸附时间时，由PLC控制切换进入活性碳纤维解吸，蒸气控制阀打开，其他控制阀关闭；蒸气吹扫和解吸活性碳纤维上的有机溶剂，解吸下来的有机溶剂和水蒸气进入一级冷凝器和二级冷凝器进行冷凝，经冷凝后的有机溶剂液体和冷凝水进入回收物料分层槽分别回收。

（3）冷却干燥

当活性碳纤维解吸达到设定的时间时，由PLC控制切换进入冷却干燥状态，干燥风控制阀打开（干燥风机连续运行），其他控制阀关闭，干燥风通过吸附芯活性碳纤维层，吹扫活性碳纤维上的水汽并降低吸附芯和箱体的温度，干燥一段时间后，箱体切换到吸附状态，由PLC自动控制，循环反复进入吸附、解吸、和冷却干燥程序。

（4）放料

由冷凝器和箱体下部排出的冷凝液均流入回收物料自动分层槽，冷凝液在自动分层槽内自动分为水层和三氯乙烯物料层，并自动分别排出，冷凝水排入下水管道，三氯乙烯排入回收物料贮槽。当三氯乙烯液面达到液面高位时，回收物料贮槽下方的阀门自动打开，由输送泵将回收物料送入三氯乙烯贮罐；当回收物料液面降至低位时，阀门和泵自动关闭并停止运转。

2.2 工程实施结果

根据现场考核及采样分析结果，该三氯乙烯废气回收装置工艺满足设计要求，自动化运行监控稳定可靠，主要设计指标尾气回收率和回收产品纯度达到了设计要求。其中吸附回收率从原来的85%左右提高到98%，并有效地降低了运营成本。经过一年多的生产运行，每年可为用户节省约500万元。

2.3 工程创新与特色

（1）吸附材料的创新性选择

由于项目中的用户是亚洲最大的隔板生产企业，而尾气来源于整个厂区的生产尾气，所以具有气量大、浓度高的特点。如果采用常规材料的碳纤维颗粒作为吸附材料，就会受到吸附材料本身性能及吸附工艺的限制，根本无法达到工程要求。而本工程采用的活性碳纤维为国产定制，保证了活性碳纤维所具有的吸脱附效率高、速度快等特点，可有效吸附大量高浓度三氯乙烯气体。因而与该工程原来运行的美国进口设备（用颗粒活性炭做吸附剂）相比，各项指标均大大提高，为我国相关项目的开发设计提供了全新的思路。

（2）运行方式和时序的合理安排

该工程采用6吸附箱并联的运行方式，在计算吸附时间、脱附时间、干燥时间的基础上，合理排布运行方式和运行时序（见图3）：全套吸附设备共6台吸附箱，设计为4台吸附器同时吸附，1台吸附器解吸，1台吸附器干燥。工作时分为两组，吸附器A、B、C为一组，D、E、F为另一组。每台吸附器根据设定的时间进行吸附、解吸和干燥并自动切换。这样可保证在任一时刻，总有机箱在进行解吸、干燥操作，这样可以使冷凝水、干燥空气的利用率最大化，同时避免了水压冲击等的影响。

值得注意的是，因为现场空间条件的约束，合理利用现场条件，将6台吸附箱分为两组布置。在时序安排中，特意将6台吸附箱分为两组，保证两组分别有两台吸附箱在进行吸附工作，这样可以避免废气布气不均。

图3 运行时序图

（3）智能化的PLC设计

该系统采用全自动的PLC设计，避免了操作人员可能发生的失误，提高了安全系数。在设计中，将吸附时间、脱附时间、干燥时间设计为可调式，这样可以方便客户根据废气的气量等工程条件的变化进行调节。

在该工程中，废气为连续产生，处理系统昼夜运行。但为了应对生产安全中的特殊情况，PLC系统中增加了急停及复位功能。

（4）较高的经济收益

由于活性碳纤维本身所需的脱附能量较少，因而可有效减少脱附中所需的水蒸气量；全自动化的半连续吸附系统，也有效减少了运行所需的员工费用等。该活性碳纤维吸附净化回收三氯乙烯尾气装置经过一年多的生产运行，净化回收率保持在98%，

该技术不仅有效减少了环境污染，更可以变废为宝，实现经济效益和环境效益的双赢。

[1]曹溪禄，吴明铂，张建，等.一种饮用水净化新技术中试试验[J].炭素，2009（4）.

[2]刘汉杰.活性碳纤维有机尾气净化回收技术[J].环境保护，2002（5）.

[3]黄灏，钱元龙，陈辉.活性碳纤维在酮苯脱蜡装置尾气回收的应用[J].炼油技术与工程，2007（10）.

Application of Activated Carbon Fiber in Organic Matter Absorption and Recycling Engineering

ZHANG Qing-yun

X701

A

1006-5377（2011）11-0050-03