沥青基活性碳纤维对甲苯废气的吸附及再生效果

杨东艳

摘 要：以通用级的沥青级碳纤维为原料，借助钴盐催化活化法，改变活化剂的用量和时间，实现不同活性碳纤维的制备。对活性碳纤维的动态吸附甲苯和再生性能进行研究。结果显示：活性碳纤维具有吸附甲苯的优秀特性，饱和和吸附量同其表面积和孔径分布存在联系。活性碳纤维对甲苯的动态吸附量在1 250 mg/g以上。实行20次的吸脱附循环再生后，吸附量还能保持在900 mg/g上。

关键词：沥青基；活性碳纤维；甲苯；吸附；再生效果

中图分类号：TQ342.74 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0177-02

吸附物质的选择，活性碳纤维是一种多孔的纤维吸附材料，表面积较大并且其孔隙在其表现可以直接打开，因此有着吸附容量高、脱附速度高和极易再生的特点，这些优点使的人们对该材料的甲苯吸附能力产生研究。对聚丙乙烯腈溶液进行了碳活化以及静电纺等措施，最终制备出了纳米活性碳纤维，实现了对甲苯的动态吸附量在650 mq/q。在Lillo-Rodensas的研究借助了KOH活性无烟煤，在这一制备过程中，得到的活性碳纤维对甲苯的动态吸附达到了560mg/g。在我国工业的逐渐兴起和发展中，越来越多的挥发性有机物在大气中的排放量增多，在这些有机物性气体中，甲苯一直被认为是一种比较典型的有机物种类，存在强大的毒性和致癌性，就算是在浓度较低的情况下，同样会导致十分严重的生物污染和危害。当前针对甲苯气体的解决方法主要依靠吸附方法。该种方法是最简单、有效、环保、廉价等优点。[1]

1 沥青基活性碳纤维的研究过程

1.1 研究原料、设备

实验中主要以通用级的沥青碳纤维作为原料，TP-2060F型气相色谱仪，氢火焰离子化检测器。不锈钢填充柱，长度为 1 m，内径为3 mm，温度内120 ℃，气化温度内1 250 ℃，检测室室内温度为150 ℃，载氮气；ASAP2 000 M型物理吸附仪。

1.2 制备方法和过程

在电子天平中精确称定量沥青基活性碳纤维，将其舰炮在钴盐溶液中，在钴盐溶液中取出后实行干燥；将水蒸气作为实验的活化剂，在900摄氏度的高温下将水进行活化，利用稀盐酸对碳纤维进行清洗，再使用离子水进行情绪，随后采用去离子水清洗，烘干后作为备用。在1 h的火化后，活化计量分别为 20 mL/h、40 mL/h、60 mL/h，最终样品可被记为A、B、C。活化时间延长至80分钟，实验中通水量增加到60 mL/h，记为D。

1.3 吸附能力和表面积和孔结构之间的关系的测试

在低温氮气条件下，测定活性碳纤维的三种样品A、B、C、D性质，画出等温吸附曲线图。按照BET方法对比表面积进行计算，采用D-A法计算平均孔径，采用密度函数理论（DFT）计算孔径分布。

1.4 活性炭甲苯动态吸附

采用连续进样方法对甲苯的吸附穿透曲线进行测定。精确称取20 mg的活性碳纤维，在内径为φ8不锈钢柱实行均匀填充，程度为20 mm。同时要对氮气流量进行调节，最终调配成为甲苯和氮气的混合气体，并且要保证吸附柱的连续性吸入。将吸附柱的出口同气相色谱仪的进口实行连接，采用氢火焰检验出口的甲苯浓度。在活性碳纤维的饱和状态条件下，获得穿透曲线图。

借助外标，并法通过式（1）来计算甲苯进口的浓度。

C0=■（1）

式中，C0指甲苯进口浓度，g/mL；V1代表外标法中基本的进样量mL；P1是穿透曲线的终点响应值，单位是mV；S1代表了甲苯相应峰值面积，mV·min；？籽甲苯代表着甲苯密度，g/mL；V2指气体的总流量，mL·min。

计算活性碳纤维的甲苯吸附量，需要采用Origin7.0Professional软件进行，穿透曲线和纵坐标围成的面积可以借助式（2）计算得出：

q=■（2）

其中，q为活性碳纤维吸附甲苯的量，单位g/g；V1代表的是外标法中算得的甲苯进样量，ml；S测代表样品吸附面积，mV·min；m为吸附柱样品质量，g；S1为V1甲苯相应峰面积，mV·min。

甲苯出口的浓度在下面的（3）式中可以计算得到：

C=■（3）

式中，C为出口浓度，mg/mL；R代表气相色谱的响应值， mV；V1外标法甲苯下的进样量，ml；S1是V1为响应峰值面积， mV·min。

1.5 活性炭再生功能

吸附剂对甲苯的吸附状态达到饱和后，如果无法实现继续循环使用，就会导致资源的浪费和二次污染，在经济效益以及环保角度，吸附剂的再生性能和其吸附性能研究同样十分重要。吸附剂的再生循环利用已经成为了判断其自身性能的重要标准。[3]在Debasish等人的研究中，采用了加热法对载甲苯活性炭纤维再次进行处理，在实施了20次的吸脱循环中，活性碳纤维吸附能力变化不大。华南理工大学学者张小平等人的研究中，进行胶基活性炭的基本吸附和再生研究等。但是关于沥青基活性碳纤维对甲苯的吸附和再生性能研究相关报道比较少。文中将廉价的通用沥青基碳纤维作为实验的原始材料，在钴盐浸渍结合途径和蒸汽活化后得到了活性碳纤维，动态吸附甲苯的性能以及再生循环性能实施了研究。

活性碳纤维的再生功能研究要实行以下步骤：在活性碳纤维的饱和状态下，将吸附装置开关打开，在恒温装置中逐渐升高吸附柱中的高度，实施脱附措施需要在高度纯净的氮气条件下进行，同时还要稳定甲苯在出口处的浓度，最终将整合过程实现完结，并将吸脱过程中的步骤进行重复，并最终完成整个步骤，将吸脱记为一个循环。

2 研究结果和分析

2.1 分析活性碳纤维甲苯吸附能力

三种活性碳纤维样品在18 ℃下的甲苯动态吸附穿透曲线，如图1所示，图1中显示了活性碳纤维对甲苯的穿透曲线形状居于高度的相似性，形状都是典型的倒Z字形，并且显示了穿透曲线经历的穿透过程耗时较短。

为了进一步对活性碳纤维的表面积以及孔径的分布进行研究，以及其同甲苯吸附性能的关系，借助ASAP2 000 M物理吸附仪，对氮气条件下的活性碳纤维的等温吸附曲线实现检测，根据吸附等温曲线求出基本的结构参数，详细数据见表1。

2.2 再生性能分析

活性碳纤维D的吸附穿透曲线，如图2所示，可以得知在20个吸附过程中，D材料对甲苯仍旧具有十分优越的吸附性能，吸附曲线的形状没有过大的变换，充分说明了在活性碳纤维D的空隙结果没有发生变化，说明了在加热再生法条件下制备的活性碳纤维D性能不受影响。

2.3 活性碳纤维在近似条件下的对比

本次实验和相似实验条件的高活性碳纤维和再生活性碳纤维性能实行对比。新活性碳纤维的实验条件为：室温24 ℃环境下的1.00 g活性碳纤维的填充高度为70 mm； 甲苯流量为 0.4 m3/h；甲苯的进口平均浓度为98.5 mg/m3，一次性脱附过程实验条件改变成为：室温环境22 ℃；活性碳纤维质量1.00 g，维持70 mm填充高度；甲苯流量维持在0.4 m3/h；进口甲苯浓度平均值为110.89 mg/m3。实验结果进行显示，活性碳纤维在经历一次性的脱附操作后，和未实施脱附的干燥纤维对比，吸附能力更强，饱和时间也得到了一定延长，穿透时间也更加长。

3 结 语

沥青基活性碳纤维对甲苯的动态吸附量同表面积和孔径之间存在联系；在钴盐催化条件下制备的活性碳纤维吸附能力良好，速度快饱和吸附量较高；沥青基活性碳纤维可以实现循环利用，在经过多次吸附脱附后，吸附甲苯的能力依然较高。本次实验对工业应用具有重要的指导意义，根据工厂的废气排除以及流量和浓度等，可以对正交实现的大致性作出适当的调整，对活性碳纤维的用量和填充高度灵活设置，基于以上实验结果，在实际应用中可以进一步方法实验，将工艺过程进行方法，这样就更有利于工业的实际应用。

参考文献：

[1] 李海燕，陈秋飞，张学军.沥青基活性碳纤维动态吸附甲苯的性能[J].化 工进展，2009，（9）.

[2] 王智慧，张小平，黄华存.活性碳纤维对有机废气的吸附及再生[J].化工 新型材料，2005，（3）.

[3] 黄华存，张小平.活性碳纤维吸附甲苯废气吸附等温方程的研究[J].环 境污染治理技术与设备，2006，（4）.