【SATA SAFETY】浅谈活性炭高温改性和SATA(世达)滤毒盒对有机蒸气的吸附

4/10/2014 10:09:47 AM

浅谈活性炭的高温改性和SATA(世达)滤毒盒对有机蒸气的吸附

-----(新品HF0414&HF0415组合)

1.0 活性炭

活性炭是一种多孔性含碳材料,由于具有高度发达的纳米级孔隙结构而成为一种优良的吸附剂,已被广泛应用于各种类型的空气过滤装置,以脱除空气中的气态污染物。对于活性炭层的吸附效率及使用寿命,需要进行详细地分析和计算,以便于吸附系统的设计和维护。有很多的参数影响一个吸附过程,进而会影响活性炭的使用性能,这些参数包括:活性炭的种类、空气中污染物的性质及浓度、活性炭的装填量及其装填方式、气流流速及温湿度条件等。各种污染物在活性炭床层中的脱除行为已有研究,而对有机蒸气的吸附又是其中的重点。

2.0 有机溶剂和蒸气

有机溶剂是一种在常温(25℃)及常压(1atm) 下能自由挥发且具有溶解其他物质之含碳液体。通常具有特殊或刺激的化学味道,其在正常环境下,易挥发为有机蒸气进而弥漫及扩散至作业场所的空气中。主要来自涂料(包括油漆、油墨)工厂、电子工厂、石油、化学工厂、印刷工厂、化学品制造工厂、溶剂分装及回收工厂、轮胎工厂、橡胶工厂、油脂工厂、化学纤维制造工厂及其他使用有机溶剂的作业场所。

2.1 有机蒸气对人体危害之途径

经由皮肤、呼吸器官、消化器接触引起危害:

症状:有机溶剂中毒之一般症状为头痛、疲怠、食慾不振、头昏等。高浓度之急性中毒抑制中枢神经系统,使人丧失意识,而产生麻醉现象,初期引起兴奋、昏睡、头痛、目眩、疲怠赶、食慾不振、意识消失等;低浓度蒸气引起之慢性中毒则影响血小板、红血球等造血系统,鼻孔、齿龈及皮下组织出血,造成人体贫血现象。

2.2有机蒸气的生理影响主要有

2.2.1对神经系统破坏:

因抑制神经系统的传导冲动功能,产生麻醉,神经系统障碍或引起神经炎等。如二硫化碳引起的神经炎;甲醇中毒影响视神经等。此类溶剂尚有酒精、苯、氯化乙醇、二氯乙烷、汽油、甲酸戊酯、醋酸戊酯、二甲苯、三氯乙烯、丁醇、松节油、煤油、丙酮、酚、三氯甲烷、异丙苯等。

2.2.2对肝脏机能损伤:

因损伤肝脏机能,引起恶心、呕吐、发烧、黄疸炎及中毒性肝炎;一般氯化烃类均会引起肝脏中毒现象。此类溶剂有四氯化碳、氯彷、三氯乙烯、四氯乙烷、苯及其衍生物等。

2.2.3对肾脏机能破坏:

肾脏为毒物排泄器官,故最易中毒,且因血氧量减少,亦足以使肾脏受害,发生肾炎及肾病。此类溶剂包括烃类之卤化物、苯及其衍生物、二元醇及其单醚类、四氯化碳、乙醇等。

2.2.4对造血系统破坏:

因破坏骨髓造成贫血现象。包括苯及其衍生物如甲苯、氯化苯、二元醇等。

2.2.5对黏膜及皮肤刺激:

因刺激黏膜,使鼻黏膜出血,喉头发炎,嗅觉丧失或因皮肤敏感产生红肿、发痒、红斑及坏疽病等。此类溶剂包括氯彷、三氯甲烷、醚、苯、醋酸甲酯、煤油、丙酮、甲醇、石油、氯酚、二氯乙烯、四氯化碳等。

3.0 活性炭的含氧基团

活性炭表面含氧基团的存在对其吸附过程具有重要的影响。在气流湿度较高的条件下,脱除含氧基团可以大大提高活性炭对有机蒸气的吸附能力。为了反映吸附质通过活性炭层的吸附过程,常采用穿透曲线进行预测,即在一定的时间内分析活性炭层中流出物的浓度变化。SATA技术人员在400~800 ℃下对基炭进行了高温改性,并考察了滤毒盒在气流湿度分别为30%, 40%, 50%, 60%和80%的条件下有机蒸气对活性炭固定层的穿透行为,从而为滤毒盒的参数选取和设计提供了理论基础。

4.0 活性炭高温改性实验过程

4.1 高温改性 在N2气保护下,将颗粒活性炭装入管式炉中,分别在400, 500, 600 和800℃下进行高温处理20 min。

4.1.1吸附过程 将有机蒸气与空气相混合得到一定浓度的染毒气流,然后将染毒气流通过湿度控制器以调整气流湿度并通过活性炭固定层。吸附柱为¢20 mm@20 mm的不锈钢管,气流比速为0125L /(min#cm2), 有机蒸气的初始质量浓度为410 mg /L,气流湿度控制为30%, 40%, 50%, 60%和80%

5.0 活性炭高温改性后对有机蒸气吸附性能的结果与讨论

由表1可见,

活性炭经过高温处理后,其比表面积、微孔容积和中孔容积都没有发生明显变化。我们在实验过程中的最高处理温度为800℃,低于活性炭生产时的活化温度(850~900℃),因此经过改性后对活性炭的比表面积和孔容都基本没有明显影响。采用XPS表面分析技术对基炭(未改性炭)和高温改性炭的表面含氧量进行了分析(元素灵敏度因子法)。由图1可见,

随着处理温度的提高,活性炭表面含氧量呈明显的下降趋势,经过800℃处理后含氧量由处理前的5。13%下降到只有1。186%,减少了65。14%,此时活性炭表面上大部分的含氧基团被脱除。通常,采用水蒸汽或二氧化碳在高温条件下活化所生产的煤质活性炭的表面含氧官能团有羧基、酚羟基、醚基、羰基和内酯基等。 Figueiredo等详细研究了活性炭表面各种含氧基团的稳定性,这些含氧基团由于和活性炭结构基元的结合方式的不同以及自身结构的差异,其受热时的分解温度也不同。O-C =O(羧基)的分解温度为510 K左右,C-OH(酚、醚基)的分解温度在905 K左右,C= O(羰基)和内酯基的分解温度为1000 K左右,O-C =O(羧基)最不稳定,在对活性炭进行热处理时最容易分解, C-OH (酚、醚基)次之,而C =O(羰基)和内酯基相对比较稳定。可见在800℃下进行脱氧可脱除大部分的含氧基团,再提高处理温度,则会破坏炭的六元环结构。

活性炭表面上由于含有大量的含氧基团而表现为亲水性,水分子和有机蒸气在活性炭表面上形成竞争吸附,部分占据了活性炭的孔隙空间,从而使得活性炭对有机蒸气的有效吸附容量减少。随着气流湿度的增加,水分的影响加大。活性炭经过高温脱氧后可减少表面的含氧基团,提高活性炭表面的疏水性,有效地降低气流中水分的竞争作用。由试验结果可见随着处理温度提高,活性炭在气流湿度80%条件下对有机蒸气的吸附速率常数kv和有效吸附容量qb显著提高,活性炭层的有效防护时间tb延长。和基炭相比,处理温度提高到800℃ .,有效防护时间由102min延长到145min,增加了42.14%;有效吸附容量41.13%。吸附速率常数增加说明有机蒸气的竞争吸附能力提高,而水分子的竞争吸附能力减弱,在孔隙结构没有明显改变的情况下,可显著提高活性炭对有机蒸气的选择性吸附能力。

结论:

A: 由于水分子的竞争吸附作用,随着气流湿度的增加,活性炭层对有机蒸气的吸附速率常数减小,吸附带增大,也即传质区增大,活性炭层的利用率降低,有效吸附容量和有效防护时间减小。

B:经过高温改性后,SATA(世达)活性炭的孔隙结构没有明显改变,表面含氧量随改性温度的提高而显著减小,表面疏水性能提高,可以显著降低水分子的竞争吸附作用,从而提高活性炭层在高湿条件下对有机蒸气的防护时间。

参考文献

GerryO. Wood.,Stampfer J. F..Carbon[J],

1993,31(1):195~200

VahdatN..Carbon[J],

2007,35(10 /11):1545~1557


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