一種活性碳纖維原位再生方法
2023-09-18 16:26:00
專利名稱：一種活性碳纖維原位再生方法
技術領域：
本發明涉及一種活性碳纖維的再生方法，特別是用於處理氣態汙染物的 活性碳纖維再生。
背景技術：
活性碳纖維是一種較新型的高效吸附劑。它是用超細的活性炭微粒與各 種纖維素、人造絲、紙漿等混合製成的各種形態的纖維活性炭。微孔範圍在
0.5-1.4|im，比表面積大。對各種無機和有機氣體、水溶液中的有機物、重金 屬離子等具有較大的吸附量和較快的吸附速率，其吸附能力比一般的活性炭 高1-10倍，特別是對一些惡臭物質的吸附量比顆粒活性炭要高出40倍左右。 目前主要用於氣相吸附，是具有重要商業價值的吸附劑。
活性碳纖維吸附飽和後需再生循環使用。現有的再生方法主要包括加熱 再生、減壓再生、吹掃再生、置換再生和溶劑萃取再生等。加熱再生法是指 將吸附飽和的吸附劑加熱，隨著吸附劑溫度升高，分子運動加快，平衡吸附 量減少，大部分吸附質就從吸附劑上脫附出來的方法。加熱介質多為水蒸氣， 也可為熱空氣。加熱再生多用於非極性吸附劑的脫附，如活性炭吸附淨化有 機溶劑蒸氣後，既可採用此種方式脫附，並可回收有機溶劑。減壓再生法是 指減低飽和吸附劑周圍氣體的壓力，使吸附質從吸附劑上脫附出來的方法。 減壓再生適合於變壓吸附操作且平衡吸附量隨吸附質分壓為線性關係的場 合。該方法需變壓操作，且動力消耗大，因而在氣態汙染物的吸附淨化中採 用較少。吹掃再生是指用不被吸附的氣體(惰性氣體)吹掃飽和吸附劑床層， 並將脫附出來的吸附質帶走的再生方法。這種再生方法脫附程度差，且吹掃 氣體中吸附質濃度較低，回收困難。因此，該方法一般不單獨使用。置換再 生是指選擇合適的氣體(脫附劑)，將吸附質置換與吹脫出來的方法。這種方 法需加一道工序，即脫附劑的再脫附，以使吸附劑恢復吸附能力。該法適用 於對溫度敏感的物質。溶劑萃取再生是指選擇合適的溶劑，使吸附質在該溶 劑中的溶解性能遠大於吸附劑對吸附質的吸附作用，將吸附物溶解下來的方法。
以上再生方法均不同程度地存在著以下幾點不足(1)再生過程中炭損 失往往較大；(2)再生後活性炭纖維吸附能力會有所下降；(3)再生時產生 的尾氣如果處理不當會造成二次汙染。
發明內容
針對以上再生方法的不足，本發明提供一種等離子體原位再生方法，該 方法再生效率高，炭損失量低，無二次汙染。
為實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。首先在吸附裝置內設置 電暈電極和接地電極，並使活性炭纖維置於電暈電極和接地電極之間；然後 將電暈電極與交流電源相連，電暈電極和接地電極之間的電場使吸附裝置內 產生等離子體，等離子體振蕩和電風作用將吸附質從活性炭纖維上振脫或吹 脫下來；達到預先設定的再生時間後，將電暈電極與交流電源斷開，再生結 束。
所述的交流電源的頻率為100~200 Hz，電暈電極與接地電極之間的電場 強度為5~7.5 kV/cm，再生時間為2~5 min。
本發明是利用低頻交流電源在吸附裝置內產生等離子體，等離子體振蕩 和電風作用將吸附質從活性炭纖維上振脫或吹脫下來，同時等離子體釋放的 熱量為吸附質脫附提供脫附熱。脫附後的氣態汙染物分子與放電產生的高能 電子、核電粒子、自由基以及臭氧發生化學反應，最終被降解為無害氣體排 出，不產生二次汙染。再生後的活性碳纖維保持了原有活性，可再次投入使 用。
本發明採用低溫等離子體活性碳纖維原位再生方法，是因為等離子體具 有以下特點
1) 等離子體振蕩作用。如果在等離子體的某一局部區域裡瞬間出現了正 或負的空間電荷，那麼這些電荷將開始振蕩。等離子體振蕩是由等離子體中 粒子群的相互作用形成的有組織的集體運動。吸附在活性碳纖維上的氣態汙 染物分子會在等離子體振蕩的作用下，從微孔中振出，實現脫附。
2) 電風作用。在外加電場強度特別高的情況下，空氣發生電離。由於同種電荷互相排斥，導體上的靜電荷總是分布在表面上，而且一般來說分布是 不均勻的，這使得空氣中殘存的少量離子發生加速運動。這些被加速的離子 與空氣分子相碰撞後，使更多的空氣分子電離，形成電子雪崩。高速運動的 電子與核電粒子會使其周圍的空氣發生氣流擾動，進而形成電風，電風可將 部分吸附在活性碳纖維上的氣態汙染物分子吹脫出來，實現脫附。
3) 等離子體放熱作用。按等離子體的熱力學平衡狀態，等離子體可分為 完全熱力學平衡等離子體、局部熱力學平衡等離子體和非熱力學平衡等離子 體。非熱力學平衡等離子體也稱冷等離子體或低溫等離子體，此類等離子體
內部電子溫度很高，可達上萬開爾文，而離子及氣體溫度保持在300~500K， 從而形成熱力學上的非平衡性。本發明採用的是低溫等離子體技術，但即使 是低溫意義下的等離子體，當放電時間足夠長時，仍然能使電場中達到 450 500K的較高溫度，從而為脫附提供充足的脫附熱。
4) 等離子體降解作用。等離子體具有降解汙染物分子的作用，其機理如 下其一，由電場產生的電子直接和汙染物分子碰撞，從而使汙染物分子電 離、解離和激發；其二，各種活性基團和汙染物分子之間發生化學作用，這 些活性基團主要包括OH、 H02和O原子，它們和汙染物分子之間發生一系列 的化學反應，形成C02和H20等對環境無害的物質。
本發明低溫等離子體活性碳纖維原位再生方法與現有方法比較具有以下 顯著進步-
1) 再生效率高。在電場場強5-7.5kV/cm，放電頻率100-250Hz的範圍內， 再生效率達99.5%以上；
2) 活性碳纖維再生炭損失量低。在最佳運行參數下，再生炭損失低於
0.2%;
3) 再生後吸附活性不降低。實驗證明，經本方法多次再生後的活性碳纖 維可保持原有吸附活性；
4) 汙染物原位降解，不需附加脫附氣體處理裝置，工藝簡單，操作方便， 不產生二次汙染。
圖1是本發明中電源頻率對活性炭纖維再生效果的影響
圖2是本發明中電場強度對活性炭纖維再生效果的影響 圖3是本發明中再生時間對活性炭纖維再生效果的影響 圖4是本發明的再生裝置結構示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明-
吸附裝置的具體結構如圖4所示，包括殼體15、頂蓋8、由多孔外筒7 和多孔內筒5圍成的環形吸附劑筒、設置在環形吸附劑筒內的活性碳纖維6。 頂蓋8與殼體15通過法蘭相連接，吸附劑筒設置在殼體15內，活性炭纖維6 設置在吸附劑筒內。
首先在吸附裝置內設置電暈電極和接地電極，並將活性炭纖維置於電暈 電極和接地電極之間，具體為將殼體15和頂蓋8處的連接法蘭打開，將電 暈電極12設置在吸附劑筒的中軸線上，接地電極13固定在殼體15的內壁上， 絕緣內襯14置於接地電極13和殼體15之間。
然後將電暈電極與交流電源9相連，電暈電極和接地電極之間的電場使 吸附裝置內產生等離子體，等離子體振蕩和電風作用將吸附質從活性炭纖維 上振脫或吹脫下來。達到預先設定的再生時間後，將電暈電極與交流電源斷 開，再生結束。
交流電源的頻率為100-200 Hz (赫茲)，電暈電極與接地電極之間的電場 強度為5~7.5 kV/cm (千伏/釐米)，再生時間為2 5min (分鐘)。 按照上述方法，作了如下實驗
等離子體由低頻交流電源通過電暈放電發生，電源頻率在50~500Hz範圍 內連續可調，電場強度通過電源電壓控制在4 8kV/cm範圍內連續可調。實施 例中採用等離子體技術對吸附硫化氫的活性炭纖維進行再生，改變放電頻率、 電場強度和再生時間，以取得最佳再生效果的工藝參數。圖1為電源頻率對 活性炭纖維再生效果的影響，電場強度為7.5kV/cm,再生時間為2min，電源 頻率分別為50Hz、 100 Hz、 150 Hz、 200 Hz和250Hz。隨著頻率的增加活性 炭纖維脫附率和炭損失率均增加。當頻率為50Hz時，脫附率僅為63.5%,炭
6損失率為0.1%。當頻率為100Hz時，脫附率為99.5°/。，炭損失率為0.3%。當 頻率提高到250Hz時，脫附率增長很小，而炭損失率卻增加到了2.7%。由此 可見電源頻率控制在100Hz-200Hz範圍內比較合理。圖2為電場強度對活性 炭纖維再生效果的影響，頻率固定在150Hz，再生時間為3min，場強分別為 4kV/cm、 5 kV/cm和7.5 kV/cm。隨著場強的增加活性炭纖維脫附率和炭損失 率均增加。當場強為4kV/cm時，脫附率僅為46%，炭損失率為0.06%。當場 強為5kV/cm時，脫附率提高到99.5%，炭損失率為0.15%。當場強達到7.5 kV/cm時，脫附率保持不變，仍為99.5%，炭損失率也處於較低水平，僅增至 0.9%。由此可見電場強度控制在5 kV/cm 7.5kV/cm範圍內比較合理。圖3 為再生時間對活性炭纖維再生效果的影響，頻率為150Hz，場強為5kV，再生 時間分別為lmin、 2min、 3min禾卩5min。隨著再生時間的增加活性炭纖維脫 附率和炭損失率均增加。當再生時間為lmin時，脫附率為88%，炭損失率為 0.05%。當再生時間為2min時，脫附率提高到99%，炭損失率為0.15%。當 再生時間為5min時，脫附率為99.5%，炭損失率為0.5%。由此可見再生時間 控制在2min-5min範圍內比較合理。
上述低頻交流電源通過電暈放電所形成的等離子體是一種低溫非平衡態 等離子體，其對脫附出來的氣態汙染物(如VOCs和惡臭氣體等)具有很好 的分解效果，不產生二次汙染，能夠真正實現活性炭纖維的原位再生。
權利要求
1、一種活性炭纖維原位再生方法，其特徵在於首先在吸附裝置內設置電暈電極和接地電極，並使活性炭纖維置於電暈電極和接地電極之間；然後將電暈電極與交流電源相連，電暈電極和接地電極之間的電場使吸附裝置內產生等離子體，等離子體振蕩和電風作用將吸附質從活性炭纖維上振脫或吹脫下來，脫附下的氣態汙染物進而被分解為無害氣體；達到再生時間後，將電暈電極與交流電源斷開，再生結束。
2、 根據權利要求1所述的一種活性炭纖維原位再生方法，其特徵在於所述 的交流電源的頻率為100 200Hz，電暈電極與接地電極之間的電場強度為 5~7.5 kV/cm，再生時間為2~5 min。
全文摘要
本發明涉及一種活性碳纖維的再生方法，特別是用於處理氣態汙染物的活性碳纖維再生。具體是利用低頻交流電源在吸附裝置內產生等離子體。等離子體振蕩和電風作用將吸附質從活性碳纖維上振脫或吹脫下來，同時等離子體釋放的熱量為吸附質脫附提供脫附熱。脫附後的氣態汙染物分子與放電產生的高能電子、核電粒子、自由基以及臭氧發生化學反應，最終被降解為無害氣體排出，不產生二次汙染。再生後的活性碳纖維保持了原有活性，可再次投入使用。本發明具有再生效率高、再生時炭損失量低以及再生後吸附活性不降低等特點。
文檔編號B01J20/30GK101549283SQ20091008295
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者何麗娟, 方宏萍, 堅 李, 李晶欣, 梁文俊, 濤 竹, 金毓峑 申請人:北京工業大學