饱和吸附苯蒸气条件下活性炭对高频电场的介电响应*

谢仕奇 张 挚 周捍东 余光明 高淑国

[1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏高效林业资源加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037；2.北美枫情木家居（江苏）有限公司，江苏 苏州 215200 ]

活性炭是一种优良的有机生物多孔材料，具有孔结构发达、可再生循环使用和废弃后燃料化利用等优点[1]，作为吸附材料被广泛应用于气相污染物的净化等诸多领域。当前国家对大气污染治理提出了更高的要求，针对工业废气VOCs排放，江苏、北京、上海等省、直辖市相继出台了更为严格的标准，探索适宜、高效的VOCs处理净化工艺已成为家具等木制品行业亟待解决的问题[2-6]。

家具等木制品涂装传统工艺常采用溶剂型涂料，该工艺涂装质量好，成本相对较低，深受市场欢迎，但涂装排气难以达到现行环保标准对VOCs限值的要求。目前有关木制品涂装排气净化技术已有大量研究，其中采用活性炭吸附-脱附的工艺是针对大风量、中低浓度废气处理较适宜的方案，庞维亮等[7-8]通过对活性炭碱改性，增大活性炭的比表面积，提高对甲苯的吸附容量。胡燕萍[9]采用喷淋-活性炭吸附法对家具行业VOCs进行治理，取得了较好的净化效果。Parvulesc等[10-12]采用热介质吹扫的方式对活性炭脱附再生，左宋林等[13]研究了真空脱附活性炭上挥发性有机化合物，潘能婷等[14-18]采用微波工艺对活性炭加热脱附再生。虽然热介质和微波脱附有着较好的脱附效果，但热介质脱附升温速度慢、能耗高；采用微波脱附升温速度快，但因涂装排气中的木粉细颗粒和脱附解吸释放有机物均为可燃物质[19-20]，加之工艺条件的波动等原因，已发生过燃烧现象甚至气固混合相爆炸事故[21]。据对采用溶剂型涂料进行木地板涂装废气中特征污染物研究的最新报道，苯是唯一超标的受限排放的特征污染物[22]。为此，本文以粉状活性炭为对象，研究空载和饱和吸附苯蒸气的活性炭在5～30 MHz电场频率下的介电性能，以期为活性炭用于木制品涂饰废气吸附净化的脱附再生提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用木质活性炭为中国林业科学研究院林产化学工业研究所与福建元力活性炭有限公司合作开发的炭材料，含水率12.8%，比表面积1 745.1 m2/g，平均孔径3.72 nm，CCl4吸附率119%。经粉碎机粉碎至40 目，密闭保存备用。苯溶液，分析纯，上海泰坦化学有限公司。

1.2 设备

HPP110恒温恒湿箱（德国MEMMERT）；4294A精密阻抗分析仪（美国AGILENT），频率范围40 Hz～30 MHz；800Y多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司）；ANALYSETTE3 PRO振动筛分仪（德国FRITSCH）；BS224S型电子天平（德国SARTORIUS），量程0.001～220 g；JA3001型电子天平（上海浦春计量仪器有限公司），量程1～3 000 g。

1.3 试验方法

1.3.1 试样制备

称取60 g粉状活性炭，以5 mm层厚均匀平铺在口径为200 mm的培养皿中；将500 mL苯溶液倒入口径260 mm的玻璃挥发皿。再将装有活性炭层和盛有苯溶液的挥发皿一并装入自制的、可加盖密封的挥发吸收箱内，在室温条件下利用苯溶液挥发使活性炭饱和吸附苯蒸气。每隔24 h称量吸附有苯蒸气的活性炭质量1 次。称量时，装有活性炭层的玻璃皿从吸收箱内取出的同时，用玻璃器皿盖将其密封，连同培养皿及密封盖一并称量，直至连续2 次称量的质量误差小于0.1%；将饱和吸附苯蒸气的试样置于避光处保存备用。

1.3.2 介电性能测定

物质的介电特性可以使物质像容器一样在电磁场中储存电能，并将一部分电能转化为热能使物质升温[23]。介电常数ε'表示物质在电场中储存电荷的能力，介质损耗因子ε''体现的是物质将电磁能转化为热能的能力。在射频加热中，复介电常数ε由公式（1）、（2）确定。

式中：ε0为真空介质常数（8.854×10-12F/m）；ε'为介质的复介电常数的实部（简称介电常数）；ε''为复介电常数的虚部（简称介电损耗）；tanδ为介质损耗因子角正切。

采用介电特性测试系统对活性碳复介电常数进行测量计算，如图1 所示。直接测定材料的等价并联电容Cp和消散因数D，按照公式（3）、（4）计算获得介电参数：

图1 介电参数测试系统Fig. 1 Dielectric parameter test system

式中：Cp为等价并联电容，F；A为电极面积，m2；ta为测试材料厚度，m；D为消散因数。

测定时，快速称取3 g样品，装入自制的石蜡环内（内径40 mm，高10 mm），以无磁性直尺沿着环口上表面轻轻刮平。随后将载有试样的石蜡环置于测试系统电极下表面中心，通过调节螺旋测微器，使电极上表面接触石蜡环上表面，读取等价并联电容Cp和消散因数D，每个试样测定3 次，测定3 个平行试样。

2 结果与分析

2.1 频率对空载活性炭介电特性的影响

在室温23～25 ℃、环境空气湿度52%条件下，测定粒径40 目的炭粉在5、6.78、10、13.56、15、20、25、27.12、30 MHz 等9 个频率时的介电参数，结果如表1 所示。

表1 不同频率下空载活性炭介电特性参数Tab.1 No-load activated carbon dielectric characteristics at different frequencies

图2为介电性能随电场频率变化的关系。由图2a可见，在温度以及其他条件不变的情况下，随着电场频率的提高，活性炭的ε'与频率呈指数函数关系，ε''随频率呈线性负相关关系。介电参数的变化主要由极化机制引起，偶极子的内部转动对电磁波具有较强的能量吸收作用。在高频电场中，活性炭内部极性官能团被迅速极化，随着电场频率的增大，其极化速度越来越跟不上电场频率的变化，极化出现滞后，内部偶极子转动方向与电场方向相反，则介电常数相应地表现为下降趋势，以往研究也得到了相似的结果[24]。

图2 活性炭介电特性随频率变化曲线Fig. 2 Variation curve of dielectric properties of activated carbon with frequency

如图2b所示，tanδ随频率增大开始时不断上升，当频率超过15 MHz时，tanδ反而随着频率的增大降低。tanδ的变化和其定义有关，受ε'和ε''综合变化规律的影响。

2.2 饱和吸附活性炭的介电特性

表2 为室温23～25 ℃、环境空气湿度52%条件下，40 目粉状活性炭饱和吸附苯蒸气后在频率5～30 MHz时的介电常数和介质损耗因子。图3 对空载和饱和吸附活性炭介电常数和介质损耗因子进行比较。

图3 电场频率对空载和饱和吸附活性炭介电特性的影响Fig. 3 Effect of electric field frequency on the dielectric properties of no-load and saturated adsorption activated carbon

表2 不同频率下饱和吸附活性炭介电特性参数Tab.2 Parameters of dielectric properties of saturated adsorption activated carbon at different frequencies

从图3a可见，饱和吸附苯蒸气活性炭的ε'随频率增加呈指数函数降低，在开始阶段下降迅速，随频率增加，趋于平缓。由图2b可知，饱和吸附苯蒸气活性炭的ε''随频率呈线性函数下降。

对比空载和饱和吸附活性炭的介电参数可以发现，两者在5～30 MHz内变化规律相同。但饱和吸附苯蒸气活性炭的ε'和ε''数值均大于空载活性炭，ε'增幅为34.6%，ε''增幅在频率范围内不断降低，最大值46.1%，最小为5.8%。ε'增大是因为苯是一种弱极性物质，被吸附在活性炭的孔隙中，单位体积内偶极子数目增多，在电场的带动下发生转动，增强了活性炭的介电性能。且由于活性炭孔隙中增加了被吸附物质苯，电磁波在传播过程中发生了更多的碰撞、反射，增加了传输路程，消耗了更多的能量，因此饱和吸附苯蒸气活性炭的ε''大于空载活性炭，且随频率的增加，受极化滞后效应影响，两者数值趋于一致。

2.3 高频电场中介质升温分析

电磁波可被物质吸收，不同物质吸收电磁波的能力不同，介电损耗因子是衡量一种物质吸收电磁波并将电磁能转化为热能的能力的物理量。物质在高频电场中升高温度与该物质的介电损耗因子、电场的频率和电场强度成正比，与物质的密度和比热容成反比，它们之间的关系以公式（5）表示：

式中：t为加热时间，s；T为t时刻温度，℃；T0为初始温度，℃；f为电场频率，Hz；E为电场强度，V/m；m为物质质量，kg；Cp为物质比热容，J/（kg·℃）；ε''为损耗因子。

由公式（5）可见，介质一定时，其在高频电场中升温受频率f和损耗因子ε''的共同影响。由图2可知，虽然ε''与频率f呈线性负相关关系，但是频率f的增幅大于ε''降低的幅度，温升随频率呈正相关关系，频率越高，升温越快；因此，理论上，从极化加热效果的角度，30 MHz是一个较为理想的加热频率，这与以往研究得出的规律基本一致[25]。

3 结论

本文研究了活性炭在空载和饱和吸附苯蒸气条件下，其介电参数与高频电场频率的变化关系。主要结论如下：

1）空载时活性炭的介电常数ε'和介质损耗因子ε''随电场频率变化发生了明显的改变，在5～30 MHz范围内，ε'随频率增加呈指数形式下降，ε''呈线性函数降低。而损耗角正切值tanδ与频率呈二次多项式关系，先增大后降低，最大值出现在15 MHz附近。

2）饱和吸附苯蒸气活性炭的ε'和ε''随频率变化关系与空载活性炭变化规律相同，但ε'和ε''数值都不同程度增加，这说明吸附质的存在会增强活性炭对高频电场的响应能力，利用高频电场实现对饱和吸附活性炭中的苯进行加热脱附具有可行性。

3）介质在高频电场中加热升温时，升温速率受介质损耗因子与电场频率的双重作用影响，在30 MHz时，加热效果较佳。

综上，以活性炭为吸附剂应用于地板油漆排气中苯系物等超标污染物净化时，采用高频加热的方法对饱和吸附的活性炭进行脱附具有可行性，同时有必要针对介质在高频电场中温升和时间的关系开展进一步研究。