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      粒狀活性碳過濾器與活性碳纖維過濾器的性能比較

      2013-10-15 中國環保技術網 我要評論(0) 字號:T | T
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      摘要: 化學過濾器可以處理空氣中的氣溶膠、有害氣體,還可以起到殺菌、消毒的作用。實際中最常用的化學過濾器是活性碳過濾器。

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      摘要: 化學過濾器可以處理空氣中的氣溶膠、有害氣體,還可以起到殺菌、消毒的作用。實際中最常用的化學過濾器是活性碳過濾器。本文重點對粒狀活性碳過濾器和活性碳纖維過濾器在過濾水和空氣時的性能進行了對比,同時對比了粒狀活性碳和活性碳纖維的特性及結構,并說明了活性碳纖維具有粒狀活性碳不可比擬的優點。并對活性碳纖維過濾器的發展前景進行了展望,從而指出了活性碳纖維過濾器的經濟性及其推廣的可能性和必然性。

      關鍵詞: 活性碳 活性碳纖維 化學過濾器 活性碳纖維過濾器 性能對比

      1. 引言

      隨著經濟的發展,人們對環境污染問題的重視程度及室內空氣品質要求的不斷提高,傳統的只對可吸入顆粒物起作用的空氣過濾器已經不能滿足人們的要求,于是化學過濾器便應運而生,這是因為它可以清除空氣中的氣體污染物。隨著工業的發展和城市的不斷擴大,我們身邊有害氣體的濃度也在增加,而人們對空氣的潔凈度要求卻在逐年提高,于是人們對化學過濾器的需求量也就在逐年增加。

      2. 化學過濾器

      化學過濾器過濾原理是:有選擇的吸附有害氣體分子,而不是像普通過濾器那樣機械地清除雜質。在通風和空調領域,化學過濾器使用活性碳作為主要過濾材料 [1] 。

      活性碳材料中有大量肉眼看不見的微孔,其中絕大部分微孔的孔徑在 5~500? ( 1?=1×10 -10 m )之間,單位材料中微孔的內部總比表面積可高達 700~2300 ㎡ /g [1] 。通常 1g 固體所占有的總表面積為該物質的比表面積,其單位為㎡ /g 。一般來說,比表面積大,活性大的多孔物質,其吸附能力強。

      根據材料的處理方法,活性碳吸附分為物理吸附和化學吸附。物理吸附沒有明顯的化學反應,它主要依靠范德華力( Vander Waals )?;瘜W吸附是經過化學處理而使材料與有害氣體產生化學反應的吸附,它的原理是:活性碳靠范德華力抓到氣體分子,材料上的化學成分與污染物起反應,生成固體成分或無害的氣體 [1] 。

      3. 粒狀活性碳過濾器及活性碳纖維過濾器

      3.1 活性碳( AC - activated carbon )

      活性碳,是一種具有多孔結構和大的內部比表面積的材料。由于其大的比表面積、微孔結構、高的吸附能力和很高的表面活性而成為獨特的多功能吸附劑,且其價廉易得,部分還可再生活化,同時它可有效去除廢水、廢氣中的大部分有機物和某些無機物,所以它被世界各國廣泛地應用于污水及廢氣的處理、空氣凈化、回收稀有金屬及溶劑等環境保護和資源回收等領域。

      活性碳分為粒狀活性碳、粉末活性碳及活性碳纖維,但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生賦活而被限制利用 [2] 。

      3.2 粒狀活性碳( GAC - granular activated carbon )

      GAC 的 85%~90% 用于水處理和氣體吸附處理,它的粒徑為 500 ~ 5000μm , GAC 的孔結構一般是具有三分散態的孔分布 , 既具有按國際純粹與應用化學會 (IUPAC) 分類的孔徑大于 50 nm 的大孔 , 也有 2.0 ~ 50nm 的中孔(過渡孔)和小于 2.0nm 的微孔 [3] 。

      由于 GAC 的孔狀結構所致 , 它的吸附速度較慢 , 分離率不高 , 特別是它的物理形態使其在應用和操作上的有諸多不便 , 限制了 GAC 的應用范圍 [4] 。

      3.3 活性碳纖維( ACF - activated carbon fiber )

      ACF 是繼粉狀與粒狀活性碳之后的第三代活性碳產品 [3] 。 70 年代發展起來的活性碳纖維是隨著碳纖維工業發展起來的一種新型,高效的吸附劑。

      ACF 是多孔碳家族中具有獨特性能的一員,與傳統的粒狀活性碳( GAC )相比, ACF 具有以下特點 [5] :

      ① ACF 與 GAC 的孔結構有很大的差異,如圖 1 和圖 2 所示。 ACF 的孔分布基本上呈單分散態 , 主要由小于 2.0nm 的微孔組成 , 且孔口直接開口在纖維表面,其吸附質到達吸附位的擴散路徑短 , 纖維直徑細,故與被吸附物質的接觸面積大,增加了吸附幾率,且可均勻接觸。


      圖 1 ACF 和 GAC 的孔結構模型

       


      圖 2 ACF 與 GAC 的孔徑分布

      圖 2 中:

      △ V/ △ logR— 每克吸附劑( ACF/GAC )中 , 吸附體積隨孔半徑變化的變化量。( ml/g·? )

      ② 比表面積大,最大可達 2500 ㎡ /g ,約是 GAC 的 10~100 倍;吸附容量大,約是 GAC 的 1.5~100 倍;吸附能力為 GAC 的 400 倍以上;吸附、脫附速度快, ACF 對氣體的吸附數 10 秒至數分鐘可達平衡。

      ③ 孔徑分布范圍窄,絕大多數孔徑在 100? ( 1?=1×10 -10 m )以下, GAC 的內部結構有微孔、過渡孔和大孔之分,而 ACF 的結構只有微孔及少量的過渡孔,沒有大孔,并且孔徑均勻,分布比較狹窄,為 0.1~1nm ,這是 ACF 吸附選擇性較好的原因。

      ④ ACF 不僅對高濃度吸附質的吸附能力明顯,對低濃度吸附質的吸附能力也特別優異,如當甲苯氣體含量低到 10ppm ( 1ppm = 1×10 -6 ,即百萬分之一,以下同)以下時, ACF 還能對其吸附,而 GAC 必須高于 100ppm 時方能吸附 ;

      ⑤ 耐熱、耐酸堿 ; 具有很強的氧化還原特性 , 可將高價金屬離子還原為低價態 ;

      ⑥ 體積密度小 , 濾阻小 , 約是 GAC 的 1/3 [5] . 可吸附粘度較大的液體物質 , 且動力損耗小 . [12]

      而且 ACF 易再生,工藝靈活性大(可制成紗、布、氈和紙等多種制品);以及不易粉化和沉降等特征,這些特征有利于吸附和脫附,使得 ACF 對各種有機化合物具有較大的吸附量和較快的吸、脫附速度。

      吸附劑的吸附性能由吸附劑的比表面積、吸附劑的孔隙直徑來決定,其吸附性能的值 log[ ( C 0 - C ) /C] 可由下式計算求得 [6] :

      log[ ( C 0 - C ) /C]=0.0064S - 0.123D - 0.935

      式中: C 0 — 初始濃度;

      C— 平衡濃度;

      S— 吸附劑的比表面積(㎡ /g );

      D— 吸附劑的孔隙直徑( nm )。

      由上式可見,吸附劑的比表面積越大吸附能力也越大,吸附劑的孔隙直徑越小具有的吸附能力越大?;钚蕴祭w維最顯著的特點是具有發達的比表面積( 1000 ㎡ /g~3000 ㎡ /g )和豐富的微孔,微孔的體積占總孔體積的 90% 以上,微孔直徑約 10? ( 1?=1×10 -10 m )左右,故其吸附能力大。它對硫醇類惡臭氣味化合物及苯酚和亞甲基蘭等離子具有特殊的吸附能力,且其表面具有疏水性,對水蒸氣吸附親和性小,對空氣中的有害氣體、臭氣 , 特別是有機化合物具有較高的去除效率,適于吸附和脫附頻繁的廢水處理和空氣凈化等。 ACF 被認為是 21 世紀最優秀的環境材料之一 . 在氣體和液體凈化 , 有害氣體及液體吸附處理等方面已得到廣泛應用 [4] 。

      ACF 是非常有發展前途的高效吸附材料,無論污染物質是微量級還是高濃度,都可采用 ACF 進行吸附處理,達到滿意效果,在很多領域中都將取代粒狀活性碳 [7] 。

      3.4 粒狀活性碳過濾器和活性碳纖維過濾器的性能對比

      粒狀活性碳過濾器是以 GAC 為濾料的一種壓力式過濾裝置,可與離子交換軟化,除鹽設備串聯,組成處理系統。粒狀活性碳過濾器不僅具有普通機械過濾器過濾懸浮物的功能,同時還能去除用常規手段難以去除的游離性余氯、臭味、色度及有機物等,而且可對濾料再生,恢復其吸附性。

      活性碳纖維過濾器采用活性碳纖維氈或纖維布制成,此種過濾器優越于粒狀活性碳 (GAC) 過濾器?;钚蕴祭w維過濾器除了活性碳纖維適用的范圍外,還可用于醫療保護、戰地施救等領域 [8] 。

      影響兩種活性碳過濾器吸附效果和使用壽命的主要因素有:污染物的種類和濃度、氣流在過濾材料中的滯留時間、空氣的溫度和濕度。使用過程中, 活性碳過濾器的阻力不變,但重量會增加,有經驗的專業人員可根據重量變化估計過濾器的使用壽命 [1] 。

      3.4.1 兩種過濾器對水的過濾

      圖 3 所示粒狀活性碳過濾器可用于天然水和污水過濾處理。其過濾精度高,截污容量大;過濾流速高,占地面積小,水耗少;易清洗,操作簡單,濾料不流失;運行可靠,檢修方便,維護工作量??;可調性強,出水質量可根據要求進行調整;設備價格低,不需另購濾料。


      圖 3 粒狀活性碳過濾器

      采用活性碳纖維為主要過濾材料的凈水器 , 具有凈化、礦化、磁化、殺菌功能 , 在使用中可以定向過濾、反沖清洗。特別適用于新建樓房和水中鐵銹污染嚴重的家庭使用 , 可免除頻繁清潔濾材及更換濾材的煩惱,同時不同流速產生不同的凈化效果,過濾速度越小,廢水在吸附柱中停留時間越長,凈化效果越好,反之,凈化效果下降 [9] 。

      與粒狀活性碳過濾器相比,活性碳纖維過濾器具有不易產生粉末,壓力損失小,水流速度快等特點,但它可能分解為除去水中細菌而加入的有效氯,導致水中細菌不能完全被殺除而繁殖,可利用銀離子解決細菌繁殖的問題,制成抗菌性活性碳過濾器。 ACF 和 GAC 除氯效果與水溫的關系如圖 4 所示 [4] 。


      圖 4 ACF 和 GAC 除氯效果與水溫的關系

      3.4.2 兩種過濾器對氣體的過濾性能對比

      活性碳空氣過濾器,不但能過濾空氣中的細微顆粒,而且對酸性氣體、堿性氣體、惡臭、甲醛、苯等苯類、酚類、醇類、酯類、醛類等有機氣體和含有微量重金屬的低濃度、大風量的各類氣體有很好的吸附效果。主要適用于污染物濃度不高的中央空調和集中通風系統。

      活性碳纖維是適合用作過濾材料的活性碳 , 活性碳纖維用于過濾時的壓力損失小,吸附和脫吸速度快,故亦大量用于氣體的凈化。

      ( 1 )對氨氣的過濾性能對比 [6]

      高強等人以氨氣為除臭對象,將漁網狀 GAC 過濾網和 ACF 過濾網進行了對比實驗,數據如表 1 所示:

      表 1 ACF 過濾網與 GAC 過濾網


      除臭(氨氣)性能的對比實驗數

      品種

      初始濃度

      循環時間

      殘留濃度

      去除率

      去除率下降率

      ACF 過濾網

      130ppm

      6h

      18ppm

      86.15%

      1.8%

      GAC 過濾網

      130ppm

      6h

      50ppm

      61.53%

      幾乎不能再生

      從實驗結果可以看出, ACF 過濾網氨氣去除率較 GAC 過濾網高,且再生性能明顯優于 GAC 過濾網。同時 ACF 過濾網克服了 GAC 過濾網對低濃度介質難以吸附及難以再生的缺點。

      ( 2 )對甲苯氣體的吸附性能對比 [10]

      在范德華力的作用下,當相距很近的相對孔壁的吸附場發生疊加,引起微孔內吸附勢的增加,因此在很低的相對壓強(低濃度)和較短的時間內就基本完成吸附,也就是說,低濃度下吸附量高,如圖 5 所示。


      圖 5 低濃度下 ACF 和 GAC 吸附甲苯的性能比較

      ( 3 )活性碳過濾器對 SO 2 、 NO x 、 CO 、 CO 2 的過濾 [11]

      活性碳纖維過濾器的阻力與風道風速成直線關系;對 SO 2 、 NO x 的去除效率隨

      過濾器的風量而變化。并隨去除時間的延長而增大,最后逐漸趨于平緩趨勢?;钚?

      碳纖維過濾器的最佳濾速不隨污染濃度的改變而變化。

      活性碳纖維過濾器對 CO 、 CO 2 幾乎無去除效果。這主要是由活性碳纖維的性質和 CO 、 CO 2 的特點所決定的, SO 2 、 NO x 氣體極性強 , 易被活性碳纖維吸附,而 CO 、 CO 2 極性弱并與活性碳上的極性鍵有相斥作用,故 CO 、 CO 2 不能被活性碳纖維去除。經研究表明,經氧化及鐵處理后, ACF 對 CO 的吸附能力可大大提高 [4] 。

      4 .市場展望

      在物質文明和科學技術高度發展的今天,隨著人們對環境空氣質量要求提高,空氣過濾技術也迅速地發展起來,性能卓越的活性碳纖維過濾器由于過濾時具有壓力損失極小,吸附與脫吸速度快,耐振動,不產生粉塵,可再生,無污染等優勢,勢必將得到大力的推廣和應用。 我國活性碳纖維過濾器的開發還僅處于初始階段 , 其應用領域還遠遠沒有打開 , 在水處理 , 空氣凈化 , 化學物質的吸附應用方面其市場開發的潛力極大 . 隨著環境保護各項法規的進一步建立、完善和綠色化學時代的到來 , 活性碳纖維過濾器必將呈現光明的發展前景 [12] .

      SARS 的到來及禽流感疫情的爆發,對空氣過濾行業是一次大的挑戰,更是一次難得的機遇,它使得抗菌活性碳纖維過濾器具有了廣闊的市場。

      隨著科學技術的發展,簡單的活性碳纖維也已經不能滿足人們的生活需求,納米光催化活性碳纖維將是一個新的發展領域,有關這方面的研究有待深入研究。

      參考文獻

      [1] 蔡杰.空氣過濾 ABC .北京:中國建筑工業出版社, 2002

      [2] 賀福,趙建國,王潤娥.中孔活性碳纖維及其吸附特性.高科技纖維與應用, 1999 , 3 : 1~5

      [3] 王茂章.活性炭纖維的高功能化.高科技纖維應用. 1999 , 6 : 5~12

      [4] 肖長發.活性炭纖維及其應用.高科技纖維應用. 2001 , 4 : 27~31

      [5] 付正芳,王慶瑞,王曙中.中空活性碳纖維概述.高科技纖維與應用, 2003 , 5 : 32~35

      [6] 高強,王春梅,季濤.活性碳纖維凈化室內空氣的研究.產業用紡織品. 2000 , 10 ( 18 ): 26~29

      [7] 閻懷國,張俊貞,趙惠敏,李傳運,安鼎年.活性碳纖維的應用.城市環境與城市生態. 1998 , 3 ( 11 ): 5~7

      [8] 活性碳及活性碳纖維樣本.南通蘇通碳纖維有限公司

      [9] 肖月竹,趙光.用活性碳纖維處理煉油廠廢水的研究.水處理技術. 1994 , 3 ( 20 ): 177~182

      [10] 曹雅秀,劉振宇,鄭經堂.活性炭纖維及其吸附特性.炭素. 1999 , 2 : 20~23

      [11] 張金萍,李德生.活性炭纖維過濾器在室內空氣凈化中的試驗研究環境工程. 2000 , 5 ( 18 ): 32~35

      [12] 汪多仁.活性炭纖維的開發與應用.高科技纖維與應用. 2001 , 3 : 21~24

      作者簡介:

      趙麗寧,女, 1978 年 10 月生 在讀碩士研究生 西安工程科技學院 123# 郵編 710048 ;電話 : 029-88046010 029-82 347289 ; E - mail: zhaolining144@yahoo.com.cn


      【責任編輯:管理員 TEL:400-666-4470】

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