活性炭纤维网吸附床电热再生过程研究

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活性炭纤维(ACF)是一种拥有巨大比表面积、发达孔隙结构以及极强吸附能力的碳质材料,广泛应用于挥发性有机化合物治理、室内空气净化及军事化学防护等领域。ACF长时间使用后吸附性能会下降,需对其进行再生以恢复其吸附能力。本文选择一种效率高、通用性强、能耗较低的再生方式——电热再生,研究了典型的ACF织物—活性炭纤维网(ACFM)的电热特性以及吸附质在电热期间的脱附行为,主要研究内容如下:(1)采用现代分析技术对ACFM的表面形貌及孔隙结构进行表征,并测试了苯与水在ACFM上的吸附等温线。结果表明,ACFM是一种具有均匀网孔结构的吸附材料,其比表面积约为1300 m2·g-1,孔径主要集中在0.3~0.8 nm范围内,且微孔占比达95%以上。苯的吸附等温线为Ⅰ型,水的吸附等温线为Ⅴ型。(2)自行设计了固定床吸附装置装填ACFM。首先以单点测温的方式,研究了通电电压、吹扫气流比速以及吸水率对床层温度变化、床层整体电阻变化等电热特性的影响,然后借助光纤光栅温度传感器获取电热期间吸附床内部温度场,实现三维温度场可视化检测。结果表明:①在输入电能一致的前提下,床层升温速率与通电电压呈正相关;②吹扫气流的引入会降低床层的升温速率;③吸水床层在电热期间由于受水脱附的影响,升温过程中出现“平台”;④三维温度场数据显示,无气流吹扫的干燥床层在通电加热期间,温度场分布表现为中部高、四周低。干燥床层在有气流吹扫时,温度沿气流行进方向呈梯度分布。吸水床层在相当长的一段时间内温度场未发生明显改变,且随着吸水率增加,床层最大温差增大,平均温度降低。(3)利用自建的ACFM固定床吸附及电热再生研究装置,考察了脱附气流量、脱附峰值温度、控温程序以及预加热等因素对苯电热脱附行为的影响。结果表明:①苯的脱附率与脱附气流量以及脱附峰值温度均呈正相关;②苯在升温阶段以及保温阶段的脱附量占总脱附量99%以上;③预加热操作会降低苯的脱附量;④在脱附气流量为8L·min-1、脱附峰值温度160℃、脱附总时长1h(升温20 min、保温30 min、降温10 min)条件下,苯的脱附率可达92%。(4)自行设计了光纤光栅称量系统,获取了 ACFM床层在不同含水率条件下,水与苯的脱附数据。结果表明,当吸附气流相对湿度分别为40%及80%时,吸附1h后床层含水率可达8.44%及26.08%。电热脱附过程中,由于吸附在孔隙内的水吸收能量,使床层升温出现滞后,导致苯的脱附曲线分别出现“双峰”及“尖峰—平台”现象。对电热脱附过程的能量输入及输出进行衡算,计算值与实际值符合程度为93%~95%。通过以上研究,为电热再生工艺条件的优化提供了数据支撑,为采用电热再生方式的ACF吸附净化与回收设备的设计提供技术基础。
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