活性炭纤维再生方法介绍、研究及应用案例

今天主要聊一聊活性炭纤维的再生方法。

目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭、活性氧化铝、硅胶和分子筛。

不用思考，看名称也知道活性炭纤维是所属活性炭吸附剂这一类别。关于活性炭的详细介绍大家可以看这篇文章（常用工业吸附剂详解-活性炭

为什么单独将活性炭纤维再生单独拿出来聊？

活性碳纤维，是一种新型的高性能活性炭吸附材料，它是利用超细纤维如黏胶丝、酚醛纤维或腈纶纤维等制成毡状、绳状、布状等，经高温（1200K以上）炭化，用水蒸气活化后制成的。

黏胶纤维价格较低，酚醛纤维价格较高。活性碳纤维的比表面积大，有的可高达2500m²/g，密度小（5～15kg/m²），微孔多而均匀。普通颗粒活性炭孔径不均一，除小孔外，还有0.01～0.1μm的中孔和0.5～5um的大孔，而活性碳纤维不但孔隙率较大，而且孔径比较均一，绝大多数为0.0015～0.003μm的小孔和中孔，因而吸附容量大，而且，由于活性碳纤维的微孔直接通向外表面，吸附质分子内扩散距离较短，所以吸附和脱附速度高，残留量少，因而使用寿命长。

正是由于活性碳纤维具有这些结构特征，对各种无机和有机气体、水溶液中的有机物、重金属离子等具有较大的吸附容量和较快的吸附速度，其吸附能力比一般的颗粒活性炭高1～10倍，特别是对于一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高出40倍左右。

活性炭纤维的吸附孔道 90%以上都处于微孔（≤2nm）范围，吸附的有机分子较难在活性炭纤维的表面脱附，影响了活性炭纤维的再生和寿命，同时也导致其吸附-脱附回收有机废气系统复杂、能耗高和危险性大。如果将吸附饱和的活性炭纤维直接废弃，不仅极大的浪费资源，而且还非常容易产生二次污染。因此将活性炭纤维进行再生利用具有重要的环保效益和经济效益[54]。目前对于研究活性炭纤维再生方法还不是很多，主要分为以下几种：

（1）水蒸汽脱附再生

水蒸汽脱附再生是通过将水蒸汽通入到吸附管中，把吸附在活性炭纤维上的VOCs 分子脱附，脱附下来的 VOCs 与水蒸汽混合气体，还需在冷凝器中被冷凝后分离。水蒸汽成本低且易得，具有良好的经济性和安全性，但是其脱附周期较长，而且容易对设备造成腐蚀，回收的溶液中含有大量的水，分离成本提高。Reiter 等人[55]研究在脱附再生过程中，通过采用再生水蒸气与待吸附有机污染物气流流向相同的方法，提高了回收效率、延长活性炭循环使用周期，但再生周期长，能耗高。

（2）热空气脱附再生

热空气脱附再生是通过将热空气或者氮气通入到吸附管中，把吸附在活性炭

纤维上的 VOCs 分子脱附，脱附下来的 VOCs 与热空气或者氮气混合气体，还需在冷凝器中被冷凝后分离。该方法虽然避免了水的产生，但是同样存在再生周期长问题。

（3）变压再生

变压再生是等温条件下，在吸附等温曲率大的范围里，降低体系的压力，吸附量就会减小，从而让吸附剂脱附再生。变压脱附易于实现循环操作，其优点有

自动化程度高、成本低、安全等，但脱附体系需要不断减压或抽真空，必须控制压力体系，能耗大，操作周期长，而且只能用于反应器或固定床吸附器，再生过程中吸附剂的损耗较高。任亚峰等[56]对分子筛变温再生和变压再生对比进行研究，其结果表明变压再生由于需要频繁充压和泄压，分子筛损耗加剧，而变温再生是在相同压力下进行，也就不不存在变压再生的弊端。Zhou,L 等

[57]研发了一种新型变压脱硫工艺，使用该方法实现了长时间气体脱硫连续操作，同时脱硫指标稳定。

（4）超临界再生

超临界再生依据萃取原理，利用超临界流体作为溶剂，将吸附质有效扩散并溶解于超临界流体中。超临界流体最重要的特点是：既具有接近于液体的密度和

溶解度，又具有接近于气体的传质系数。超临界萃取再生[58]就是利用这一性质，在较高压力下，大量的有机污染物快速溶解于超临界流体中，使超临界溶液的压力降低或温度升高，从而使得溶解于超临界流体中的有机物就会因超临界流体密度的下降使得其溶解度降低而析出。

（5）电致热再生

电致热再生是利用吸附剂本身的导电性，在电流的作用下产生焦耳热，从而使吸附剂自身温度上升脱附有机废气。李学佳等[59]运用电热再生法研究了活性炭再生脱附高沸点有机物的再生性能，研究发现再生温度低于 VOCs 沸点时，有机物在活性炭纤维中很难脱附，并且当再生温度高于 200℃时，活性炭纤维吸附性能随再生次数的增多而明显下降。李增朝等[60]以铬离子为重金属代表，研究了活性炭电化学过程中的因素，其结果表明活性炭的再生率随着再生时间延长增加缓慢，正极极化有利于活性炭再生。Mark.J.R 等[61]利用电致热变压再生活性炭纤维，通过精确温度控制系统保持活性炭纤维维持 200℃再生温度，从而获得较高能源利用效率，提高分离和浓缩 VOCs 效率。

1 活性炭纤维回收甲苯工程      

某化工企业几个车间经改造后的VOCs治理流程如下：

1.1 方案思路

主要按照如下设计，其中甲苯在活性炭纤维中吸脱附流程如下：

当甲苯尾气通过活性炭纤维床层时， 其中的甲苯被活性炭纤维吸附、截留，从而使废气得到净化排放。当活性炭纤维吸附有机物达到饱和后，要对活性炭纤维床层进行脱附再生。再生时，通入饱和水蒸汽加热活性炭纤维床层，甲苯被吹脱解吸出来，并与水蒸气形成蒸汽混合物， 然后将蒸汽混合物冷凝为液体， 液体经自动分层后得到可以回收再利用的油层甲苯，同时分层水排入废水系统集中处理。脱附干净的活性炭纤维床层再进行冷却和干燥处理， 以备下一个循环的再次吸附。甲苯冷凝产生的尾气再接入活性炭纤维吸附回收装置。活性炭纤维吸附回收装置工艺原理见下图。

1.2关键参数设定

本项目活性炭纤维吸附回收装置的设计风量为6000 m3/h，设计甲苯的流量为30 kg/h，设计吸附进气温度小于40 ℃， 设计脱附蒸汽压力约0.2 MPa，设计脱附温度约100 ~ 105 ℃。

1.3 处理流程设定

活性炭纤维吸附回收装置由一套2 箱6 芯的不锈钢活性炭纤维吸附器和一座不锈钢颗粒碳吸附器，前者完成甲苯的吸附和回收，后者作为保安工艺保障甲苯达标排放。其中活性炭纤维吸附器碳纤维装填量40 kg/芯，共480 kg，采用2 箱并联运行，交替完成吸附和再生， 单箱活性炭纤维吸附器的吸附时间为30 min，蒸汽脱附时间为15 min，间歇时间5min，空气干燥10 min。颗粒碳吸附器再生时，排气进行超越。企业通过定期取样分析，判断活性炭吸附器及颗粒碳吸附器处理效率， 并调整吸附周期及再生频次。

1.4 效益分析

1）产出：本项目甲苯的回收量按照30 kg/h，每年生产时间按照8000 h 计算， 通过活性炭纤维吸附回收装置每年可回收的甲苯量为228 t（回收率95%）。每吨甲苯价格按照0.6 万元计算， 每年的回收甲苯的总价值为136.8 万元。

2）运行成本：活性炭纤维吸附回收装置蒸汽消耗量500 kg/h（蒸汽平均使用系数0.167）， 废气治理装置运行基本功率约45 kW。则每年消耗蒸汽668 t，耗电3.6 ×105 kW·h，每年蒸汽和用电费用为52.7 万元；每年设备维修维护费用、吸附剂更换费用约6 万元，每年设备折旧费用约6 万元；每年人工费用约3 万元。合计每年总运行费用约为67.7 万元。

3）通过上述计算， 每年活性炭纤维吸附回收装置回收甲苯产生的利润为78.1 万元。企业通过一定年限运行，便可收回投资成本。

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