活性炭纖維在大氣污染治理方面的應(yīng)用

梁沁

（南京金三力橡塑有限公司， 江蘇 南京 210000）

活性炭纖維在大氣污染治理方面的應(yīng)用

梁沁

（南京金三力橡塑有限公司， 江蘇 南京 210000）

本文介紹了活性炭纖維（ACF）比表面積大、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、孔徑小等特性，并概括了活性炭纖維在吸附大氣污染物，特別是煙氣中的SOx、NOi等污染物的顯著效果及作用機(jī)理，并提出一些提高活性炭纖維品質(zhì)的途徑。

活性炭纖維；大氣污染治理

目前主要的能源供給來(lái)自于煤、石油和天然氣等化石燃料，化石燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的氣態(tài)污染物，主要包括SOx、NOi等。大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的有機(jī)廢氣，如甲苯等。隨著生活水平的提高，人們的環(huán)保意識(shí)也在不斷增強(qiáng)，所以，大氣污染物的控制技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

1 活性炭纖維（ACF）特性

（1） 比表面積大，ACF的比表面積一般能達(dá)到1 000～1 500 m2/g，甚至3 000 m2/g，因此，ACF是理想的吸附材料，可在脫附氣體污染物方面使用。

（2）微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，ACF微孔的體積達(dá)到總孔體積的90%以上，吸附容量是普通粒狀活性炭的1.5～10倍，因此ACF的吸附效率大大提高。

（3）表面含有大量有機(jī)官能團(tuán)，這些有機(jī)官能團(tuán)加強(qiáng)了ACF的氧化還原能力，使得它可以催化某些化學(xué)反應(yīng)。

（4）良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐高溫，使得它既能用于電吸附，又能適應(yīng)高溫環(huán)境。

2 活性炭纖維（ACF）在治理大氣污染中的應(yīng)用

鑒于活性炭纖維（ACF）具有以上優(yōu)點(diǎn)且可重復(fù)使用，故其可以被大面積用于空氣凈化。目前大氣的主要污染物為SO2、NOi、H2S，故針對(duì)治理這幾種氣體的作用機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀介紹如下。

2.1 ACF脫除SO2

2.1.1 作用機(jī)理

以在氧氣和水蒸氣存在下ACF氧化脫除SO2為例，其機(jī)理為：在活性位上SO2經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)和表面重整，轉(zhuǎn)化為硫酸，然后經(jīng)過(guò)水合的硫酸脫附或者被洗滌脫出。然而該過(guò)程主要存在兩個(gè)方面的分歧：在SO2轉(zhuǎn)變?yōu)镾O3的過(guò)程中氧的狀態(tài)、速率控制步驟。

關(guān)于SO2氧化為SO3的過(guò)程，有些人認(rèn)為其符合Langmuir-Hinselwood模型，另外一些學(xué)者認(rèn)為其符合Eley-Rideal模型。前者假定吸附的氧氣以氧分子或者游離態(tài)與吸附的SO2反應(yīng)，而后者認(rèn)為氣相的氧氣以分子狀態(tài)與吸附的SO2反應(yīng)。而在速率控制步驟上存在這樣的分歧，一些學(xué)者提出整個(gè)反應(yīng)的控速步驟是SO2氧化，而反對(duì)者認(rèn)為是硫酸的洗脫。這樣，水被假定有雙重作用，一重是與吸收的SO3反應(yīng)生成水合硫酸，另一重則是解離活性炭纖維表面吸附的硫酸。那么我們得到ACF參與氧化去除SO2過(guò)程的順序：SO2和水吸附→SO2氧化形成吸附的SO3→SO3水合形成吸附的硫酸→硫酸被洗脫（以水合硫酸形式），洗脫硫酸釋放的空位（活性位）得以繼續(xù)地進(jìn)行吸附。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SO2的轉(zhuǎn)化率隨著水濃度的增大而增大，說(shuō)明更多的水加速了硫酸的洗脫，提高整個(gè)反應(yīng)速率。根據(jù)這個(gè)特征可以假設(shè)：兩種反應(yīng)機(jī)理都是最后一步反應(yīng)最慢，即為速率控制步驟。

2.1.2 應(yīng)用

由于活性炭纖維具有優(yōu)良的吸附性能，許多研究者研究了活性炭纖維脫除SO2的效果。晁攸明等研究了活性炭纖維脫除空氣中SO2的效果，廢氣在通過(guò)ACF（經(jīng)過(guò)熱處理）后，SO2脫除效率在46%以上。結(jié)果分析表明，由于熱處理增強(qiáng)了含N活性炭纖維對(duì)SO2和O2的吸附作用，加速了SO2的氧化從而提高了脫硫效率。在大規(guī)模治理含硫廢氣領(lǐng)域，ACFs應(yīng)用前景廣闊。

2.2 ACF脫除 NOx

2.2.1 作用機(jī)理

很多學(xué)者對(duì)活性炭吸附NOx進(jìn)行研究。根據(jù)Shirahema等的研究，ACFs吸附NO2反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。可以看出，ACFs在吸附NO2過(guò)程中有兩種吸附位。位1（Site 1）強(qiáng)烈地吸附NO2分子，尤其是在初始階段，在O2濃度為10%時(shí)發(fā)生了明顯的岐化作用，產(chǎn)生了NO，表面只剩下N2O3。位2（Site 2）吸附NO2較弱較慢，直到達(dá)到吸附飽和時(shí)才停止，最終導(dǎo)致NO2吸附穿透。N2O3加熱分解生成NO2和NO，同時(shí)表面剩下的氧與碳反應(yīng)生成CO2、CO。

2.2.2 應(yīng)用

NO是典型的大氣污染物，因它自身的特殊特性，只有極少數(shù)微孔固體對(duì)NO有吸附作用。很多科學(xué)家研究通過(guò)負(fù)載過(guò)渡金屬氧化物的方法，提高ACF對(duì)NOx的吸附能力。

圖1 ACFs吸附NO2反應(yīng)機(jī)理

郭世永等研究結(jié)果表明，不同金屬氧化物的引入可大大提高活性炭纖維脫除NO的性能。負(fù)載銅—鈷和銅—鈰復(fù)合金屬氧化物在ACFs中的兩種組分有協(xié)同效應(yīng)，在一定溫度下有很高的反應(yīng)活性和更長(zhǎng)的壽命。Aleaniz-Monge等利用含鐵瀝青制備的活性炭纖維，在脫除NO方面有較高效率且在500 K即可再生。

2.3 ACF用于其他氣體脫除

J Przepiorski，Yoshida等 用 KACF脫 除 H2S。他們認(rèn)為用K2CO3預(yù)處理后再進(jìn)行活化得到的ACF 對(duì)H2S的處理效果最好，并認(rèn)為其在潮濕環(huán)境中有利于脫除H2S，在反應(yīng)過(guò)程中有S元素和KHCO3生成。

此外，在回收三氯乙烷和二氯甲烷之類的強(qiáng)腐蝕性溶劑方面，ACF也具有傳統(tǒng)工藝無(wú)法達(dá)到的優(yōu)越性。傳統(tǒng)的GAC工藝中少量溶劑尾氣在過(guò)渡金屬（Cu、Fe等）的催化作用下會(huì)水解成鹽酸、氯乙醇等有機(jī)物導(dǎo)致pH值下降，腐蝕設(shè)備，且GAC回收成本較高。若使用ACF回收，其中金屬含量只有GAC的1/2～1/10，這樣就抑制了催化作用，降低了對(duì)裝置的腐蝕。同時(shí)用ACF回收的溶劑質(zhì)量好，無(wú)需蒸餾就可再用，降低了成本。ACF還可用于吸附去除苯乙烯之類產(chǎn)生惡臭的物質(zhì)，同時(shí)對(duì)CHCl3、CHBrCl2和CHBr2Cl的吸附量也較大。

3 結(jié)語(yǔ)

活性炭纖維在大氣污染物治理方面的應(yīng)用研究越來(lái)越受到關(guān)注。由于大氣污染物治理相較于污水處理難度更大，研究者們正全方位的研究如何提高ACF在治理大氣污染物方面的應(yīng)用效果。他們從原材料制備技術(shù)（纖維的種類、來(lái)源、活化機(jī)制等）、表面反應(yīng)的控制（氣固反應(yīng)機(jī)制的研究、催化劑載體催化吸收、掛載納米炭纖維等）、活性炭纖維的表面改性等方面都做出了努力，并力爭(zhēng)在選擇合適的工藝后進(jìn)行系統(tǒng)集成，這也是今后的研究方向。

［1］ 黃強(qiáng)，潘鼎，黃永秋.活性炭纖維在治理水污染和大氣污染中的應(yīng)用［J］. 化工新型材料，2008，30（8）：32.

［2］ 王麗平，黃柱成，等. 活性炭纖維治理大氣污染的性能及機(jī)理研究［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2008（10）：76～79.

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（P-05）

Application of activated carbon fi ber in air pollution control

X51

1009-797X（2015）22-0135-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.053

梁沁（1987-），女，初級(jí)，本科學(xué)歷，研究方向?yàn)楦叻肿硬牧稀?/p>

2015-10-12