嘉恒箱式活性碳毡净化器应用机理研究

【摘 要】本文重点对嘉恒箱式活性碳毡净化器应用机理进行了研究，同时对比了活性碳毡与粒状活性碳的特性及结构，并说明活性碳毡具有粒状活性碳不可比拟的优点。对活性碳毡在烟气净化方面的发展前景进行了展望，从而指出嘉恒箱式活性碳毡净化器应用的经济性及其推广的可能性与必然性。

【关键词】嘉恒箱式活性碳毡净化器；活性碳纤维；粒状活性碳

0 引言

随着经济的发展与生活水平的提高，人们对环境污染问题的重视程度及空气的品质要求不断提高；随着工业的发展和城市的不断扩大，我们身边有害气体的浓度也在增加，而人们对空气的洁净度要求也在逐年提高，由于活性碳材料可以有效清除气体污染物，因此在烟气净化方面得以大量应用。唐山嘉恒实业有限公司实用新型专利―嘉恒箱式活性碳毡净化器在烟气净化、水处理等方面较传统处理方式优势明显，应用前景广阔。

1 活性碳材料[1-3]

活性碳材料，是一种具有多孔结构和内部比表面积大的材料。由于其表面积大、呈微孔结构、吸附能力高强和表面活性高而成为独特的多功能吸附剂，且其价廉易得，部分还可再生活化，同时它可有效去除废水、废气中的大部分有机物和某些无机物，所以它被世界各国广泛地应用于污水废气处理、空气净化、回收稀有金属及溶剂等环境保护和资源回收领域。活性碳分为粒状活性碳、粉末活性碳及活性碳纤维，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生复活而被限制利用。

活性碳材料中有大量肉眼看不见的微孔，其中绝大部分微孔的孔径在5-500埃（1埃=1×10-10米，以下同）之间，单位材料中微孔的总内表面积可以高达700-2300m2/g，也就是说，在一个米粒大小的活性碳颗粒中，微孔的内表面积相当于一个大客厅墙面的大小。

根据材料的处理方法，活性碳吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附没有明显的化学反应，它主要依靠范德华力。化学吸附是经过化学处理而使材料与有害气体产生化学反应的吸附，它的原理是：活性碳靠范德华力抓到气体分子，材料上的化学成分与污染物起反应，生成固体成分或无害的气体。

1.1 粒状活性碳（GAC-granular activated carbon）

GAC的85%-90%用于水处理和气体吸附处理，它的粒径为500-5000μm，GAC的孔结构一般是具有三分散态的孔分布，既具有按国际纯粹与应用化学会（IUPAC）分类的孔径>50nm的大孔，也有2.0-50nm的中孔（过渡孔）和

由于GAC的孔状结构所致，它的吸附速度较慢，分离率不高，特别是它的物理形态使其在应用和操作上的有诸多不便，限制了GAC的应用范围。

1.2 活性碳纤维（ACF-activated carbon fiber）[8-9]

ACF是继粉状与粒状活性碳之后的第三代活性碳产品。70年展起来的活性碳纤维是随着碳纤维工业发展起来的一种新型、高效的吸附剂。

ACF是多孔碳家族中具有独特性能的一员，与传统的粒状活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特点：

1）ACF与GAC的孔结构有很大的差异，如图1和图2所示。ACF的孔分布基本上呈单分散态，主要由小于2.0nm的微孔组成，且孔口直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，纤维直径细，故与被吸附物质的接触面积大，增加了吸附几率，且可均匀接触。

（a）ACF （b）GAC

图1 ACF和GAC的孔结构模型

Fig.1 The of Pore structure model ACF and GAC

图2 ACF和GAC的孔径分布

Fig.2 Pore size distributions of ACF and GAC

2）比表面积大，最大可大2500m2/g，约是GAC的1.5-100倍；吸附能力为GAC的400倍以上；吸附、脱附速度快，ACF对气体的吸附数十秒至数分钟可达平衡。

3）ACF孔径分布范围窄，绝大多数孔径在100埃以下，GAC的内部结构有微孔、过渡孔和大孔之分，而ACF的结构只有微孔及少量的过渡孔，没有大孔，并且孔径均匀，分布比较狭窄，为0.1-1nm，这是ACF吸附选择性较好的原因。

4）ACF不仅对高浓度吸附质的吸附能力明显，对低浓度吸附质的吸附能力也特别优异，如当甲苯气体含量低到10ppm以下时，ACF还能对其吸附，而GAC必须高于100ppm时方能吸附。

5）耐热、耐酸碱；具有很强的氧化还原特性，可将高价金属离子还原为低价态。

6）体积密度小，滤阻小，约是GAC的1/3。可吸附粘度较大的液体物质，且动力损耗小。

而且ACF易再生，工艺灵活性大（可制成纱、布、毡和纸等多种制品）；以及不易粉化和沉降等特征，这些特征有利于吸附和脱附，使得ACF对各种有机化合物具有较大的吸附量和较快的吸、脱附速度。

吸附剂的吸附性能由吸附剂的比表面积、吸附剂的孔隙直径来决定，其吸附性能的值log[（C0-C）/C]可由下式计算求得：

log[（C0-C）/C]=0.0064S-0.123D-0.935

式中：C0――初始浓度；

C――平衡浓度；

S――吸附剂的比表面积（m2/g）；

D――吸附剂的孔隙直径（nm）。

由上式可见，吸附剂的比表面积越大其吸附能力也越大，吸附剂的孔隙直径越小具有的吸附能力则越大。吸附剂活性碳纤维最显著的特点是具有非常发达的比表面积（1000m2/g-3000m2/g）和丰富的微孔，微孔的体积占总孔体积的90%以上，微孔直径约为10埃左右，故其吸附能力大。它对硫醇类恶臭气味化合物及苯酚和亚甲基兰等离子具有特殊的吸附能力，且其表面具有疏水性，对水蒸气吸附亲和性小，对空气中的有害气体、臭气，特别是有机化合物具有较高的去除效率，适于吸附和脱附频繁的废水处理和空气净化等。ACF被认为是21世纪最优秀的环境材料之一。在气体和液体净化，有害气体及液体吸附处理等方面已得到广泛应用。

ACF是非常有发展前途的高效吸附材料，无论污染物质是微量级还是高浓度，都可采用ACF进行吸附处理，达到满意效果，根据需要可加工成丝、纸、毡、布等形式，在很多领域中都将取代粒状活性碳。嘉恒箱式活性碳毡净化器具有吸附效率高、脱附再生快、设备体积小等优点，在烟气净化、废水处理等领域应用前景广阔。

2 嘉恒箱式活性碳毡净化器过滤性能分析[10-13]

影响活性碳毡净化器吸附效果和使用寿命的主要因素有：污染物的种类和浓度、气流在过滤材料中的滞留时间、空气的温度和湿度。嘉恒箱式活性碳毡净化器，不但能过滤空气中的细微颗粒，而且对酸性气体、碱性气体、恶臭、甲醛、苯等苯类、酚类、醇类、酯类、醛类等有机气体和含有微量重金属的低浓度、大风量的各类气体有很好的吸附效果。嘉恒箱式活性碳毡净化器在过滤时的压力损失小，吸附和脱附速度快，故可大量应用于气体的净化。

2.1 对氨气的过滤性能对比

将粒状活性碳过滤器和嘉恒箱式活性碳毡净化器进行对比实验，数据如表1所示：

表1 嘉恒箱式活性碳毡净化器与粒状活性碳过滤器

除臭（氨气）性能对比

Tabl.1 The deodorization（ammonia） performance comparison of Jiaheng box type active carbon fiber felt cleaner and

granular activated carbon filter

从实验结果可以看出，嘉恒箱式活性碳毡净化器对氨气的去除率较粒状活性碳过滤器高，且再生性能明显优于粒状活性碳过滤器。同时嘉恒箱式活性碳毡净化器克服了粒状活性碳过滤器对低浓度介质难以吸附及难以再生的缺点。

2.2 对甲醛气体的吸附性能对比

在范德华力的作用下，当相距很近的相对孔壁的吸附场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加，因此在较低相对压强（低浓度）和较短的时间内就基本完成了吸附，也就是说，低浓度下吸附量高，如图3所示。

图3 活性炭吸附甲醛时的等温吸附线

Fig.3 Adsorption isotherm of activated carbon adsorption of formaldehyde

2.3 嘉恒箱式活性碳毡净化器对SO2、NOx的过滤

嘉恒箱式活性碳毡净化器的阻力与风道风速成直线关系；对SO2、NOx的去除效率随过滤器的风量而变化。并随去除时间的延长而增大，最后逐渐趋于平缓趋势。嘉恒箱式活性碳毡净化器的最佳滤速不随污染浓度的改变而变化。

2.4 嘉恒箱式活性碳毡净化器对二英类物质的吸附

二英主要以颗粒状态存在于烟气中或者吸附在飞灰颗粒上，因此为了降低烟气中二英的排放量，就必须严格控制粉尘的排放量。布袋除尘器对1μm以上粉尘的去除效率达到99%以上，但是对超细粉尘的去除效果不是十分理想，但活性碳毡的强吸附能力可以弥补这项缺陷，由于活性碳毡的吸附能力远大于粒状活性碳，因此嘉恒箱式活性碳毡净化器对超细粉尘及其吸附的二英的捕集效率要高于传统粒状活性碳。

2.5 嘉恒箱式活性碳毡净化器对烟气中重金属元素的吸附

烟气中重金属主要以气态或吸附态形式存在。气化温度较高的重金属及其化合物在烟气处理系统降温过程中凝结成粒状物质，然后被除尘设备收集去除；气化温度较低的重金属元素无法充分凝结，但飞灰表面的催化作用可能使其转化成气化温度较高、较易凝结的金属氧化物或氯化物，从而被除尘设备收集去除；仍以气态存在的重金属物质，将被嘉恒箱式活性碳毡净化器收集去除。

3 未来市场展望[14-15]

在科学技术高度发展的今天，随着人们对环境空气质量要求提高，空气净化技术也迅速地发展起来，性能卓越的嘉恒箱式活性碳毡净化器由于净化时具有压力损失极小，吸附与脱附速度快，耐振动，不产生粉尘，可脱附再生，无污染等优势，势必将得到大力的推广和应用。我国活性碳毡净化器的开发还处于初始阶段，其应用领域还远远没有打开，在废水处理，空气净化，化学物质的吸附应用方面其市场开发的潜力极大。随着环境保护各项法规的进一步建立、完善和绿色化学时代的到来，嘉恒箱式活性碳毡净化器必将呈现光明的发展前景。

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