改革开放以来，随着人们生活质量的逐步提高，各种使用了含有挥发性有机污染物(VOCs)的装饰品、装修材料、日用化学品等陆续进入到我们的生活中，使得室内外的空气质量下降，严重危害着人们健康。随着我国对大气环境质量要求的不断提高，对VOCs 排放的控制要求将会越来越严格，研究相应的VOCs 处理技术也将更加急迫。根据世界卫生组织(WHO)的定义，挥发性有机化合物是指在25 ℃蒸汽压大于133.32 Pa，沸点为50~260 ℃的各种有机化合物。VOCs 按化学结构可以进一步分为烷烃类、芳烃类、酯类、醛类等，目前已鉴定出的有300 余种。目前，国内外对有机废气回收处理的方法主要有冷凝法、吸收法、吸附法和膜分离技术等。其中，吸附法具有方法简单、环保、效率较高等优点，是常用的处理有机废气的方法。而随着新型吸附材料——活性碳纤维的开发利用和改良，吸附法的应用将会更加广泛。活性碳纤维具有很大的比表面和丰富的微孔，孔径分布窄，比颗粒活性炭(GAC)有很更大的吸附容量和更快的吸附、脱附速率，适用于低浓度范围的污染气体吸附，且可再生，属于环保型吸附材料。目前，活性碳纤维被应用于处理各种的有机废气，其相应的研究成果也有很多：本研究主要是以吸附法为主体，活性炭纤维布作为吸附材料，环己烷作为VOCs 的模拟物，通过正交实验探讨风速、环己烷流量、ACF 布数以及ACF 布孔等因素对ACF 布的饱和吸附时间和饱和吸附量的影响；同时比较ACF 布在无孔和有孔的情况下，风机运行所需要的功率，为合理使用ACF 布处理VOCs 提供依据，为进一步处理提供依据。
01
实验过程
1.1 实验材料
吸附剂：活性炭纤维布，江苏苏通碳纤维有限公司。吸附质：环己烷，天津市富宇精细化工有限公司，分析纯。
1.2 实验仪器
实验所使用的主要仪器见表1。
1.3 实验过程
1.3.1 活性炭纤维布的预处理
活性炭纤维布在使用前，要先裁剪成面积略大于48 cm×48.5cm 的块状布，若是实验中要求有孔的ACF 布，则在布上均匀地剪出9 个直径约1 cm 的小洞(见图1)。裁剪后，在烘箱中以100 ℃烘6 个小时左右。在烘完冷却后，应立即转移至密封袋中，防止重新吸附空气中。
1.3.2 吸附流程
活性炭纤维布吸附环己烷实验流程如图2 所示。首先，开动风机，由调控装置和测风仪调控风速至符合实验要求。然后把足量的环己烷倒入烧杯中，由流量型蠕动泵定量抽送到数显调节仪上进行加热(80 ℃)后喷出进入风道，经风机引动以一定的流速进入ACF 吸附室，此时，可在风道前段的特定位置用VOC 仪测定环己烷的初始浓度。在 ACF 吸附室中由多孔铁框负载ACF 布，用于吸收通入的环己烷，通过吸附室后的气体在风道后段的特定位置用VOC 仪进行定时(3min)的环己烷浓度测定并记录。
1.4 ACF 布吸附性能测定方法
1.4.1 ACF 布饱和吸附时间测定方法
(1)把实验要求的ACF 负载到铁框上，放到吸附室的固定位置上。(2)按相应的实验要求调控好风速和环己烷流量后，开动流量型蠕动泵，同时开始计时。(3)计时开始后，在风道的前段的特定位置，使用VOC 仪测定环己烷的初始浓度并记录；在测定环己烷初始浓度以后，在开始计时后的第3 分钟测定风道后段的环己烷浓度，此后，每隔3分钟测定1 次并记录，直到环己烷浓度恒定在一个小范围(±0.1)不变后，停下风机和流量蠕动泵。(4)将上面得到的环己烷初始浓度记为C0，每隔3 分钟所测得的环己烷浓度记为Ct，按公式(1)处理，即可得到相应时间的环己烷透过率Q：Q=Ct/C0 (1)处理完成后，做一个Q-t 的曲线关系图，即可在图上找到相应的饱和吸附时间。
1.4.2 ACF 布饱和吸附量测定方法
(1)用电子天平测量进行预处理后的ACF 布质量，记为g1。
(2)用电子天平测量测量饱和吸附后的ACF 布质量，记为g2。
(3)按公式(2)处理即可得到饱和吸附量q。
q=(g2-g1)/g1 (2)
1.5 风机运行功率测定方法
(1)把实验要求的ACF 负载到铁框上，放到吸附室的固定位置上。
(2)在调控装置上调控风机运行的交流电频率，由测风仪测定风速是否符合实验要求，若不符合，则继续调控交流电频率至风速合适为止。
(3)在调控好风速后，可在调控装置上读出该交流电频率下的电流I 和电压U，由公式(3)即可算出相应的风机运行功率P。
P=IU (3)
1.6 活性炭纤维吸附性能测定实验方案
本次实验中，选择风速(A)、ACF 布数(B)、ACF 布孔(C)以及环己烷流量(D)作为考察ACF 布吸附环己烷的吸附性能的4 个因素，每个因素选择2 个水平，按L8(24)进行正交实验，具体测定方案见表2 和表3。
02 结果与结论
2.1 ACF 布对环己烷的吸附性能测定结果与讨论
2.1.1 ACF 布饱和吸附时间和饱和吸附量测定结果
本次正交实验中，ACF 布吸附环己烷的饱和吸附时间和饱和吸附量测定结果见表4。
表中 SⅠ是因素水平为1 的饱和吸附时间加和，SⅡ是因素水平为2 的饱和吸附时间加和；SⅠ'是因素水平为1 的饱和吸附量加和，SⅡ'是因素水平为2 的饱和吸附量加和。从表 4 看出活性炭纤维是有吸附性能的，其吸附属于物理性吸附，当表面层的物质粒子受到指向内部的拉力，会产生不平衡力场，ACF 表面向周围的介质中捕获其他的物质粒子，使不平衡力场得到一定补偿。挥发性有机化合物在活性炭纤维表面以多段微孔填充的方式迅速、稳定地聚集于ACF 微孔内。活性炭纤维的优异吸附性能，源于它的高比表面积。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。对于活性炭等多孔材料，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(见图3)，常规活性碳纤维是表面性单分散微孔材料，同样比表面积，能够产生吸附作用的面积更大，因而吸附、脱附速度更快、吸附量更大。
如图 4 所示，在风速为1.5m/s 和2.1m/s 时，SⅡ比SⅠ大，SⅡ’比SⅠ’小，即风速增大，会延长ACF 布的饱和吸附时间，同时会降低ACF 布的饱和吸附量。虽然风速越大，环己烷分子可以更快地接触ACF 布而被吸附，加快吸附的过程；但同时，风速的增大会使得环己烷分子更快地通过ACF 布而不容易被吸附，甚至有部分环己烷分子会因风速增大而脱附，降低了ACF 布的吸附的效率，使饱和吸附量降低，同时延长ACF 布的吸附饱和时间，这一点与前人的研究结果相符合。
2.1.3 ACF 布数量对ACF 布吸附性能的影响
如图 5 所示，在活性炭纤维布为1 块和2 块时，SⅡ对于SⅠ的差值很大，即ACF 布数量对吸附饱和时间的影响很大；且SⅡ'大于SⅠ'，说明ACF 布数量的增加能提高ACF 布的单位吸附质量。这主要是因为ACF 布作为吸附材料在吸附过程中起主导作用。ACF 布的增加，即是吸附材料的增加，这能够直接提高对环己烷的吸附量，延长饱和吸附时间；同时，环己烷能更加充分地与吸附材料接触，提高吸附效率和饱和吸附量。不过，吸附效率和饱和吸附量的提高也会使得单位吸附质的饱和吸附时间缩短。综合而言，ACF 布数量的增加能有效提高整体吸附质的饱和吸附时间和饱和吸附量，但会缩短单位吸附质的饱和吸附时间。
2.1.4 ACF 布孔对ACF 布吸附性能的影响
如图 6 所示，SⅡ比SⅠ大，SⅠ'比SⅡ'大，即ACF 布在有孔的情况下，饱和吸附时间会延长，饱和吸附量会减少。这主要是因为ACF 布上孔的存在，会使得在孔附近的气压压强增大，风速有所增强，使得环己烷分子更容易从有孔的位置通过而不被吸收，降低吸附效率，延长饱和吸附的时间；同时，在ACF 布上有孔会直接减少吸附材料的面积和质量，使得饱和吸附量减少。
2.1.5 环己烷流量对 ACF 布吸性能的影响
如图 7 所示，在环己烷流量为2 mL/min 和2.5 mL/min 时，SⅠ比SⅡ大，SⅡ'比SⅠ'大，即环己烷流量增大，会缩短饱和吸附时间，增大饱和吸附量。这是因为环己烷的流量增大，会直接增加在单位时间内进入到风道中环己烷分子的量，ACF 布吸附的环己烷的量就会更多，空白吸附位的填充就会更快更多，使得ACF 布的饱和吸附时间缩短，饱和吸附量增大，这一点符合微孔填充理论。
2.2 ACF 布孔对风机运行功率的影响
在风速为 1.5 m/s 和2.1 m/s 的条件下，测定了ACF 无孔和有孔时的风机运行功率，测定结果见表5。
如表 5 所示，在风速为1.5 m/s 和2.1 m/s，ACF 布有孔的情况下，风机的运行功率能降低8 %~12 %，且效果随ACF 布数量增加而更加明显。这表明：使用带孔的ACF 布作为吸附材料，虽然会延长饱和吸附时间和降低饱和吸附量，但影响并不是特别大，反而在长时间的吸附过程中，使用带孔的ACF 布可以有效地降低风机的能耗，这对于考虑工业上如何节能很有帮助。
03 结论
(1)风量的增大能够加快ACF 吸附环己烷，但会使相对饱和吸附量也会由此降低，饱和吸附时间加长。
(2)ACF 布数量的增加能明显提高吸附饱和时间和相对饱和吸附量，但会缩短单位吸附质的饱和时间。
(3)ACF 布孔的存在虽然不利于吸附性能，但能够降低风机运行功率，减少风机长时间运行的能耗，在负载ACF 布越多的情况下效果越明显。
(4)环己烷流量增大，饱和吸附时间变短，饱和吸附量增大。
文章转载于：VOCs前沿