目前，活性碳纖維被應(yīng)用于處理各種的有機(jī)廢氣，其相應(yīng)的研究成果也有很多：本研究主要是以吸附法為主體，活性炭纖維布作為吸附材料，環(huán)己烷作為VOCs的模擬物，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)探討風(fēng)速、環(huán)己烷流量、ACF布數(shù)以及ACF布孔等因素對(duì)ACF布的飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量的影響；同時(shí)比較ACF布在無(wú)孔和有孔的情況下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需要的功率，為合理使用ACF布處理VOCs提供依據(jù)，為進(jìn)一步處理提供依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1實(shí)驗(yàn)材料

吸附劑：活性炭纖維布，江蘇蘇通碳纖維有限公司。吸附質(zhì)：環(huán)己烷，天津市富宇精細(xì)化工有限公司，分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所使用的主要儀器見(jiàn)表1。

1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1活性炭纖維布的預(yù)處理

活性炭纖維布在使用前，要先裁剪成面積略大于48cm×48.5cm的塊狀布，若是實(shí)驗(yàn)中要求有孔的ACF布，則在布上均勻地剪出9個(gè)直徑約1cm的小洞(見(jiàn)圖1)。裁剪后，在烘箱中以100℃烘6個(gè)小時(shí)左右。在烘完冷卻后，應(yīng)立即轉(zhuǎn)移至密封袋中，防止重新吸附空氣中。

1.3.2吸附流程

活性炭纖維布吸附環(huán)己烷實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。首先，開(kāi)動(dòng)風(fēng)機(jī)，由調(diào)控裝置和測(cè)風(fēng)儀調(diào)控風(fēng)速至符合實(shí)驗(yàn)要求。然后把足量的環(huán)己烷倒入燒杯中，由流量型蠕動(dòng)泵定量抽送到數(shù)顯調(diào)節(jié)儀上進(jìn)行加熱(80℃)后噴出進(jìn)入風(fēng)道，經(jīng)風(fēng)機(jī)引動(dòng)以一定的流速進(jìn)入ACF吸附室，此時(shí)，可在風(fēng)道前段的特定位置用VOC儀測(cè)定環(huán)己烷的初始濃度。在ACF吸附室中由多孔鐵框負(fù)載ACF布，用于吸收通入的環(huán)己烷，通過(guò)吸附室后的氣體在風(fēng)道后段的特定位置用VOC儀進(jìn)行定時(shí)(3min)的環(huán)己烷濃度測(cè)定并記錄。

1.4ACF布吸附性能測(cè)定方法

1.4.1ACF布飽和吸附時(shí)間測(cè)定方法

(1)把實(shí)驗(yàn)要求的ACF負(fù)載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。(2)按相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求調(diào)控好風(fēng)速和環(huán)己烷流量后，開(kāi)動(dòng)流量型蠕動(dòng)泵，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。(3)計(jì)時(shí)開(kāi)始后，在風(fēng)道的前段的特定位置，使用VOC儀測(cè)定環(huán)己烷的初始濃度并記錄；在測(cè)定環(huán)己烷初始濃度以后，在開(kāi)始計(jì)時(shí)后的第3分鐘測(cè)定風(fēng)道后段的環(huán)己烷濃度，此后，每隔3分鐘測(cè)定1次并記錄，直到環(huán)己烷濃度恒定在一個(gè)小范圍(±0.1)不變后，停下風(fēng)機(jī)和流量蠕動(dòng)泵。(4)將上面得到的環(huán)己烷初始濃度記為C0，每隔3分鐘所測(cè)得的環(huán)己烷濃度記為Ct，按公式(1)處理，即可得到相應(yīng)時(shí)間的環(huán)己烷透過(guò)率Q：Q=Ct/C0(1)處理完成后，做一個(gè)Q-t的曲線關(guān)系圖，即可在圖上找到相應(yīng)的飽和吸附時(shí)間。

1.4.2ACF布飽和吸附量測(cè)定方法

(1)用電子天平測(cè)量進(jìn)行預(yù)處理后的ACF布質(zhì)量，記為g1。

(2)用電子天平測(cè)量測(cè)量飽和吸附后的ACF布質(zhì)量，記為g2。

(3)按公式(2)處理即可得到飽和吸附量q。

q=(g2-g1)/g1(2)

1.5風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率測(cè)定方法

(1)把實(shí)驗(yàn)要求的ACF負(fù)載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。

(2)在調(diào)控裝置上調(diào)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行的交流電頻率，由測(cè)風(fēng)儀測(cè)定風(fēng)速是否符合實(shí)驗(yàn)要求，若不符合，則繼續(xù)調(diào)控交流電頻率至風(fēng)速合適為止。

(3)在調(diào)控好風(fēng)速后，可在調(diào)控裝置上讀出該交流電頻率下的電流I和電壓U，由公式(3)即可算出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率P。

P=IU(3)

1.6活性炭纖維吸附性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)中，選擇風(fēng)速(A)、ACF布數(shù)(B)、ACF布孔(C)以及環(huán)己烷流量(D)作為考察ACF布吸附環(huán)己烷的吸附性能的4個(gè)因素，每個(gè)因素選擇2個(gè)水平，按L8(24)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，具體測(cè)定方案見(jiàn)表2和表3。

2結(jié)果與討論

2.1ACF布對(duì)環(huán)己烷的吸附性能測(cè)定結(jié)果與討論

2.1.1ACF布飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量測(cè)定結(jié)果

本次正交實(shí)驗(yàn)中，ACF布吸附環(huán)己烷的飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表中SⅠ是因素水平為1的飽和吸附時(shí)間加和，SⅡ是因素水平為2的飽和吸附時(shí)間加和；SⅠ'是因素水平為1的飽和吸附量加和，SⅡ'是因素水平為2的飽和吸附量加和。從表4看出活性炭纖維是有吸附性能的，其吸附屬于物理性吸附，當(dāng)表面層的物質(zhì)粒子受到指向內(nèi)部的拉力，會(huì)產(chǎn)生不平衡力場(chǎng)，ACF表面向周圍的介質(zhì)中捕獲其他的物質(zhì)粒子，使不平衡力場(chǎng)得到一定補(bǔ)償。揮發(fā)性有機(jī)化合物在活性炭纖維表面以多段微孔填充的方式迅速、穩(wěn)定地聚集于ACF微孔內(nèi)[7,8]�；钚蕴坷w維的優(yōu)異吸附性能，源于它的高比表面積。日本學(xué)者金子克美提出，由于孔壁勢(shì)場(chǎng)的疊加效應(yīng)，當(dāng)孔徑是吸附質(zhì)分子直徑的2倍時(shí)，較容易發(fā)生吸附[9]。對(duì)于活性炭等多孔材料，吸附主要發(fā)生在內(nèi)部的微孔部分，大孔和中孔主要起傳遞作用。相比之下(見(jiàn)圖3)，常規(guī)活性碳纖維是表面性單分散微孔材料，同樣比表面積，能夠產(chǎn)生吸附作用的面積更大，因而吸附、脫附速度更快、吸附量更大。

如圖4所示，在風(fēng)速為1.5m/s和2.1m/s時(shí)，SⅡ比SⅠ大，SⅡ’比SⅠ’小，即風(fēng)速增大，會(huì)延長(zhǎng)ACF布的飽和吸附時(shí)間，同時(shí)會(huì)降低ACF布的飽和吸附量。雖然風(fēng)速越大，環(huán)己烷分子可以更快地接觸ACF布而被吸附，加快吸附的過(guò)程；但同時(shí)，風(fēng)速的增大會(huì)使得環(huán)己烷分子更快地通過(guò)ACF布而不容易被吸附，甚至有部分環(huán)己烷分子會(huì)因風(fēng)速增大而脫附，降低了ACF布的吸附的效率，使飽和吸附量降低，同時(shí)延長(zhǎng)ACF布的吸附飽和時(shí)間，這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)果相符合[10]。

2.1.3ACF布數(shù)量對(duì)ACF布吸附性能的影響

如圖5所示，在活性炭纖維布為1塊和2塊時(shí)，SⅡ?qū)τ赟Ⅰ的差值很大，即ACF布數(shù)量對(duì)吸附飽和時(shí)間的影響很大；且SⅡ'大于SⅠ'，說(shuō)明ACF布數(shù)量的增加能提高ACF布的單位吸附質(zhì)量。這主要是因?yàn)锳CF布作為吸附材料在吸附過(guò)程中起主導(dǎo)作用。ACF布的增加，即是吸附材料的增加，這能夠直接提高對(duì)環(huán)己烷的吸附量，延長(zhǎng)飽和吸附時(shí)間；同時(shí)，環(huán)己烷能更加充分地與吸附材料接觸，提高吸附效率和飽和吸附量。不過(guò)，吸附效率和飽和吸附量的提高也會(huì)使得單位吸附質(zhì)的飽和吸附時(shí)間縮短。綜合而言，ACF布數(shù)量的增加能有效提高整體吸附質(zhì)的飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量，但會(huì)縮短單位吸附質(zhì)的飽和吸附時(shí)間。

2.1.4ACF布孔對(duì)ACF布吸附性能的影響

如圖6所示，SⅡ比SⅠ大，SⅠ'比SⅡ'大，即ACF布在有孔的情況下，飽和吸附時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，飽和吸附量會(huì)減少。這主要是因?yàn)锳CF布上孔的存在，會(huì)使得在孔附近的氣壓壓強(qiáng)增大，風(fēng)速有所增強(qiáng)，使得環(huán)己烷分子更容易從有孔的位置通過(guò)而不被吸收，降低吸附效率，延長(zhǎng)飽和吸附的時(shí)間；同時(shí)，在ACF布上有孔會(huì)直接減少吸附材料的面積和質(zhì)量，使得飽和吸附量減少。

2.1.5環(huán)己烷流量對(duì)ACF布吸性能的影響

如圖7所示，在環(huán)己烷流量為2mL/min和2.5mL/min時(shí)，SⅠ比SⅡ大，SⅡ'比SⅠ'大，即環(huán)己烷流量增大，會(huì)縮短飽和吸附時(shí)間，增大飽和吸附量。這是因?yàn)榄h(huán)己烷的流量增大，會(huì)直接增加在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到風(fēng)道中環(huán)己烷分子的量，ACF布吸附的環(huán)己烷的量就會(huì)更多，空白吸附位的填充就會(huì)更快更多，使得ACF布的飽和吸附時(shí)間縮短，飽和吸附量增大，這一點(diǎn)符合微孔填充理論。

2.2ACF布孔對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的影響

在風(fēng)速為1.5m/s和2.1m/s的條件下，測(cè)定了ACF無(wú)孔和有孔時(shí)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。

如表5所示，在風(fēng)速為1.5m/s和2.1m/s，ACF布有孔的情況下，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率能降低8%~12%，且效果隨ACF布數(shù)量增加而更加明顯。這表明：使用帶孔的ACF布作為吸附材料，雖然會(huì)延長(zhǎng)飽和吸附時(shí)間和降低飽和吸附量，但影響并不是特別大，反而在長(zhǎng)時(shí)間的吸附過(guò)程中，使用帶孔的ACF布可以有效地降低風(fēng)機(jī)的能耗，這對(duì)于考慮工業(yè)上如何節(jié)能很有幫助。

3結(jié)論

(1)風(fēng)量的增大能夠加快ACF吸附環(huán)己烷，但會(huì)使相對(duì)飽和吸附量也會(huì)由此降低，飽和吸附時(shí)間加長(zhǎng)。

(2)ACF布數(shù)量的增加能明顯提高吸附飽和時(shí)間和相對(duì)飽和吸附量，但會(huì)縮短單位吸附質(zhì)的飽和時(shí)間。

(3)ACF布孔的存在雖然不利于吸附性能，但能夠降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率，減少風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的能耗，在負(fù)載ACF布越多的情況下效果越明顯。

(4)環(huán)己烷流量增大，飽和吸附時(shí)間變短，飽和吸附量增大。