环氧树脂生产过程废气处理的试验研究

徐子义，盛 勇

（1.苏州瑞赛泽环境设计工程有限公司，江苏 苏州 215000；2.常州常大创业环保科技有限公司，江苏 常州 213161）

环氧树脂生产过程中会产生大量有机废气，如环氧氯丙烷（CHClO）、甲苯（CHCH）等。当前，一般在工业生产中采用吸附法对有机废气进行处理，因此吸附剂的选取非常关键，直接影响有机废气处理效果。木炭作为一种吸附材料被使用，已有很长时间。其主要利用内部复杂的微细孔道结构吸附其他物质，已广泛应用于水源净化和防毒面具中。为了提高碳材料的吸附性能，科学家不懈努力，探索具有优异吸附性能的新型碳材料。20世纪60年代，人们开始研究活性炭纤维，美国首先成功研制出黏胶基活性炭纤维，揭开了高效吸附功能材料的新篇章。此后，人们相继开发出聚丙烯腈基活性炭纤维、酚醛基活性炭纤维（PACF）和沥青基活性炭纤维等。

活性炭纤维主要由碳原子组成，是在高性能碳纤维研究的基础上发展起来的。它是以高聚物为原料，经过高温碳化和活化而制成的一种纤维状高效吸附或分离材料。高温碳化就是在惰性气体保护的条件下，将温度控制在一定范围，排除纤维内的可挥发性组分制造孔道空间，并使残留碳重排生成类似石墨的微晶结构。高温碳化后的纤维再在高温下用氧气、水蒸气和二氧化碳等氧化性气体进行活化处理，生成具有丰富空洞、表面形成含氧官能团的活性炭纤维。

PACF 纤维直径细，比表面积大，微孔结构发达，吸附容量大，再生与重复使用性能好，强度大，消耗少，装填性与设备适应性好，其受到各行业的关注。与粒状活性炭相比，PACF 在吸脱速度、处理量、安全性等方面具有许多优点，因此在诸多领域得到广泛应用。本试验采用化学活化法制备PACF，并将其作为吸附材料处理环氧树脂生产过程产生的混合废气。

1 试验部分

1.1 试验材料

酚醛纤维为工业级，由山东登诺新材料科技有限公司生产；环氧氯丙烷为工业级，由济南普莱华化工有限公司生产；甲苯为工业级，由济南普莱华化工有限公司生产；氢氧化钾、氢氧化钠和盐酸均为分析纯，由国药集团化学试剂上海有限公司生产。

1.2 试验仪器

一是气相色谱仪，型号为Agilent 8890，由美国安捷伦科技公司生产。二是蠕动泵，型号为BT100，由常州维西尔流体技术有限公司生产。三是电子皂膜流量计，型号为ZM-102B，由北京北分三谱仪器有限责任公司生产。四是1 100 ℃高温真空气氛管式炉，型号为笃特GMF-12-350。五是电子分析天平，型号为FA2204B。六是立式鼓风干燥箱（规格40 L），型号为DHG-9035AE。七是比表面与孔隙度分析仪，型号为ASAP-2020-PLUS。

1.3 试验方法

1.3.1 PACF 的制备

PACF 采用化学活化法制备。称取20 g 酚醛纤维，将其加入到浓度1 mol/L 的氢氧化钾溶液中浸泡1 h，酚醛纤维与氢氧化钾溶液质量比为1∶4；试样放置在150 ℃烘箱中进行烘干处理，时间为2 h；试样放置在管式炉中，通过程序升温进行碳化与活化，设置氮气保护，第一阶段的升温速率为10 ℃/min，温度升至350 ℃时保持90 min，第二阶段的升温速率为10 ℃/min，温度升至600 ℃时保持90 min，自然冷却至室温，取出试样洗涤至中性后烘干，得酚醛基活性炭纤维（PACF）。

对自制PACF 进行物性参数检测。该材料的比表面积为1 375 m/g，平均孔径为2.56 nm，碘吸附值为1 295 mg/g，甲苯吸附值为476 mg/g，环氧氯丙烷吸附值为574 mg/g。

1.3.2 吸附试验方案

PACF 吸附环氧树脂生产废气的试验装置由配气系统、恒温系统、吸附柱和检测系统组成。从有机废气配制比例来看，环氧氯丙烷质量分数为15%（废气A），其他有机废气质量分数为85%（废气B）。配制好的有机废气可通入吸附柱进行吸附处理，吸附柱采用盘管式不锈钢柱。在吸附柱入口旁通管处检测混合有机废气入口浓度，在吸附柱出口处检测混合有机废气的出口浓度。在吸附柱吸附处理混合有机废气的过程中，吸附带在吸附柱出口出现时，单位质量吸附材料对有机废气的吸附量为穿透吸附量，对应时间为穿透吸附时间。

2 结果与讨论

2.1 废气进口浓度对PACF 吸附性能的影响

进口废气流量为1.6 L/min 时，其他试验条件不变，研究不同进口废气浓度（1 000 mg/m、2 000 mg/m、4 000 mg/m）对PACF 吸附性能的影响，试验结果如图1和图2所示。从图1数据可以看出，当进口废气浓度从1 000 mg/m增加到4 000 mg/m时，废气A的出口浓度表现出增长趋势，即当进口废气浓度为1 000 mg/m时，废气A 的出口浓度最小，PACF 对废气A 的吸附量最大。从图2数据可知，当进口废气浓度从1 000 mg/m增加到4 000 mg/m时，废气B的出口浓度表现出增长趋势，即当进口废气浓度为1 000 mg/m时，废气B 的出口浓度最小，PACF 对废气B 的吸附量最大。进口废气浓度越大，穿透曲线斜率越大，达到吸附平衡所需时间越短。因此，进口废气浓度为1 000 mg/m时，PACF 对混合有机废气的吸附性能最佳。

图1 废气A 进口浓度对PACF 吸附性能的影响

图2 废气B 进口浓度对PACF 吸附性能的影响

2.2 废气流量对PACF 吸附性能的影响

进口废气浓度为1 000 mg/m时，其他试验条件不变，研究不同进口废气流量（0.8 L/min、1.2 L/min、1.6 L/min、2.0 L/min）对PACF 吸附性能的影响，试验结果如表1所示。由表1数据可见，当进口废气流量从0.8 L/min 增加至2.0 L/min 时，废气A 的穿透时间表现为降低趋势，从85 min 缩短至11 min，废气A穿透吸附量表现为先增大后降低的趋势，在1.6 L/min时最大值为326 mg/g；废气B 的穿透时间表现为降低趋势，从91 min 缩短至12 min，废气B 穿透吸附量表现为先增大后降低的趋势，在1.6 L/min 时最大值为383 mg/g。因此，采用PACF 对混合有机废气进行吸附处理，进口废气流量为1.6 L/min 时，PACF 的吸附性能最佳。

表1 废气流量对PACF 吸附性能的影响

2.3 循环重复使用对PACF 吸附性能的影响

进口废气浓度为1 000 mg/m，进口废气流量为1.6 L/min，脱附温度为150 ℃，脱附时间为30 min 时，PACF 重复使用8 次，其穿透吸附量变化如图3所示。由图3可知，当PACF 重复使用次数从1 次增加到8次时，废气A 和废气B 穿透吸附量均表现为先下降后趋于稳定的趋势，PACF 重复使用4 次后，废气A和废气B 基本达到吸附稳定值，即255 mg/g 左右。因此，PACF作为吸附材料，具有较好的实践应用效果，经多次循环使用，其穿透吸附量较高，仍保持良好的吸附性能。

图3 循环次数对PACF 吸附性能的影响

3 结论

PACF 在处理环氧树脂生产废气时表现出较好的吸附性能，当混合废气浓度为1 000 mg/m，流量为1.6 L/min 时，废气A 和废气B 的穿透吸附量分别为326 mg/g、383 mg/g。PACF 可以有效吸附以环氧氯丙烷、甲苯等为主的有机废气。进口废气浓度越大，吸附材料达到吸附平衡所需时间越短，因此要频繁对PACF 进行脱附，试验时，进口废气浓度定为1 000 mg/m。PACF 多次循环使用后，其穿透吸附量仍可以保持在260 mg/g 左右，其吸附性能良好，PACF 对环氧树脂生产废气具有较好的处理效果。