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新型活性炭材料的特性及應(yīng)用

發(fā)布時間:2021-11-16點(diǎn)擊:次

活性炭作為一種吸附材料,廣泛用于化工、食品、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等專業(yè)技術(shù)中。近年來,隨著工業(yè)上對吸附技術(shù)的需求,國內(nèi)新型活性炭材料相繼出現(xiàn),從而大大豐富了這一材料的結(jié)構(gòu)類型。近來,我們對已知的幾種新型材料進(jìn)行了初步的分析對比,現(xiàn)將獲得的一些主要結(jié)果提供給有關(guān)專業(yè)人員參考。

一、對新型材料的需求

活性炭的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)有了較長的歷史,雖然它的種類和適用范圍不斷擴(kuò)展,但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)人們需要某種整體結(jié)構(gòu)的活性炭材料時,傳統(tǒng)分散狀態(tài)的活性炭就不能滿足要求。因此一些專業(yè)人員致力于實(shí)現(xiàn)活性 炭材料整體化的研究。這類工作在國外早有報道,例如將活性炭粉涂布在衣服纖維中,制得了具有防糜爛或防有毒氣體功能的服裝。

二、國內(nèi)新型材料的狀況

目前,國內(nèi)新型材料的品種較多。通過對幾種主要材料的分析對比可以看出,各種材料在整體性和實(shí)用性上有一些共同點(diǎn),但由于加工方式和材料的結(jié)構(gòu)不相同,因此也就有著各自的特性。

1 活性炭纖維

八十年代初期,國內(nèi)就有該種材料的實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)。目前在浙江、遼寧、吉林、山西等地已有多家企業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn);钚蕴坷w維是將化纖織物材料直接以炭化、活化工藝制得,產(chǎn)品呈絲束、布狀或氈狀。以后者為主。通過對國內(nèi)某種活性炭纖維氈的使用和測試,基本性能如下:

⑴ 吸附特性 。 對于溶劑苯的吸附,靜活性在40%以上;但動活性很低,這是一種很特殊的情況。吸附劑動活性通?捎脤(shí)際操作條件下的穿透曲線來說明,典型的吸附穿透曲線形狀如圖1。

新型活性炭材料的特性及應(yīng)用

在此曲線中,從破點(diǎn)到終點(diǎn)出口濃度C接近初濃度C。之間的水平距離越短越好,即穿透曲線越陡越好,表明床層 中傳質(zhì)區(qū)短,床層利用率高。

所選活性炭纖維床層的穿透曲線如圖 2 所示。實(shí)驗(yàn)條件:初濃度 C0=82.2mg/m3,破點(diǎn)濃度C/C0=0.1,床層厚度50mm,氣流速度0.15m/s。

新型活性炭材料的特性及應(yīng)用

該曲線與典型的穿透曲線差異較大,自破點(diǎn)出現(xiàn)后曲線平緩地發(fā)展,又經(jīng)過長約140分鐘,C/C0值才達(dá)到0.28。這說明床層雖已穿透,但出口濃度卻遲遲不能接近進(jìn)口濃度。實(shí)驗(yàn)表明,活性炭纖維的傳質(zhì)區(qū)長,破點(diǎn)出現(xiàn)后床層卻難以飽和,這在工程應(yīng)用上是不利的。這個結(jié)果可能與選用材料的品種有關(guān),其他廠家的產(chǎn)品是否具有此種特性,應(yīng)注意加強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用中的考察研究。

⑵ 質(zhì)地及觀感。實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)活性炭纖維的強(qiáng)度很差,用手撕或稍用力捻壓即可成為粉末,在實(shí)驗(yàn)氣流的沖擊下很容易起毛或變形。

⑶ 氣流阻力。由于活性炭纖維氈結(jié)構(gòu)致密,它的氣流阻力較大,部分測試數(shù)據(jù)如下表。

床層厚度(mm) 流速(m/s) 壓降(mmH2O)
6 0.15 6
0.20 10
0.25 14
50 0.15 58
0.25 95

2 活性炭布

這是一種將活性炭粉與膠粘劑混合后涂在布基上的材料,厚約0.5mm,由解放軍防化兵系統(tǒng)研制,主要特性如下:

⑴ 吸附特性。該種材料對于苯的靜活性約為14%。由于它不具備用于吸附床層的使用條件,未測定穿透特性。

⑵ 質(zhì)地及觀感;钚蕴坎季哂泻芎玫膹(qiáng)度,且材質(zhì)柔軟,適于折迭、裁剪和縫制 。

⑶ 氣流阻力。 活性炭布的透氣性較差,這是由于所選基材致密,且在加工制作中使用了膠粘劑。在氣流實(shí)驗(yàn)中 ,單層活性炭布的阻力數(shù)據(jù)如下表。

流速(m/s) 0.15 0.20 0.25
壓降(mmH2O) 24 44 60

3 活性炭氈

這是一種將活性炭粉分布在多孔隙織物中制得的氈狀材料,該材料厚度可以選擇,活性炭的含量也可以變化,目前的制品含炭量約10%。

⑴ 吸附特性。對于苯的靜活性約4%左右。對于50mm厚的床層,測試其穿透曲線如圖3所示。實(shí)驗(yàn)條件為:氣流速 度0.25m/s,初濃度C0=1674mg/m3,破點(diǎn)濃度C/C0=0.1。

新型活性炭材料的特性及應(yīng)用

⑵ 質(zhì)地及觀感。該材料具有完好的整體結(jié)構(gòu),強(qiáng)度高,質(zhì)地柔軟,不會因?yàn)橛昧λ撼痘蚴軞饬髯饔枚艿狡茐暮妥冃危也眉艏翱p制性能都很好。

⑶ 氣流阻力;钚蕴繗植牧系目紫督Y(jié)構(gòu)均勻,透氣性較好,在氣流實(shí)驗(yàn)中所得部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表。

床層厚度(mm) 流速(m/s) 壓降(mmH2O)
3 0.15 2
0.20 6
0.25 7
6 0.15 4
0.20 8
0.25 10
50 0.25 24

4 活性炭泡沫塑料

該材料以泡沫塑料為基材,將活性炭粉與膠粘劑混合后涂布在泡沫塑料的孔隙中,材料厚2mm。

⑴ 吸附特性。對苯的靜活性約50%。穿透曲線如圖4。實(shí)驗(yàn)條件為,床層厚度30mm,氣流速度0.lm/s,初濃度C0=500mg/m3,破點(diǎn)濃度C/C0=0.1。

新型活性炭材料的特性及應(yīng)用

⑵ 質(zhì)地及觀感。活性炭泡沫塑料質(zhì)地柔軟,但強(qiáng)度較差。在縫制特性上也不理想,縫線后受力容易破裂。

⑶ 氣流阻力。對30mm厚的床層所測氣流阻力如下表。

流速(m/s) 0.1 0.3 0.5
壓降(mmH2O) 8.2 32.8 64

三、新材料應(yīng)用前景分析

目前,新型活性炭材料被廣泛用于衛(wèi)生保健用品、安全防護(hù)用品、吸附凈化設(shè)備及其開發(fā)研究中,F(xiàn)結(jié)合上述各種材料有關(guān)特性的介紹,探討其在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用的可行性。

1 防毒防護(hù)服裝。目前,在有毒作業(yè)中缺乏適用于防毒的防護(hù)服裝,在必需的環(huán)境中,多采用涂膠材料制成的防毒服,這與防化兵所用的防護(hù)服裝相似。這類材料以涂膠層阻斷了毒物侵入皮膚的途徑,但同時也阻斷了人體與環(huán)境間的氣體和熱量交換,穿著時悶熱多汗,無舒適感,不宜普遍應(yīng)用。考慮新型材料的特點(diǎn),可望開發(fā)出適用的工業(yè)防毒服裝。這里對幾種材料的基本性能分析列表介紹如下。

基本性能材料 吸附性能 透氣性 裁剪縫制性 綜合改進(jìn)性
活性炭布 ×
活性炭纖維 ×
活性炭氈
活性炭泡沫塑料 ×

由于缺乏材料間可以對比的方法和數(shù)據(jù),特別是缺乏用于工業(yè)防毒服裝的相關(guān)數(shù)據(jù),表中的分析結(jié)果具有一定的主觀性,但仍可供在研究工作中參考。如果在材料制作中能對某些關(guān)鍵特性加以改進(jìn)和調(diào)整,也就有可能開發(fā) 出實(shí)用的防毒服裝材料。

2 吸附凈化設(shè)備。新型活性炭材料在吸附凈化設(shè)備中已有應(yīng)用。但由于新型材料均為整體結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)致密,氣流阻力大。研究中曾對柱狀活性炭進(jìn)行了測試,有關(guān)數(shù)據(jù)如下表。

品名 尺寸d×L(mm) 床層厚度(mm) 氣流速度(m/s) 壓降(mmH2O)
GH-71 3×5 50 0.25 3

用含苯空氣對該床層測試,得到破點(diǎn)以前的實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)條件:氣流速度0.25m/s,床層厚度50mm, 氣體初濃度C0=334mg/m3,破點(diǎn)濃度C/C0=0.1。

新型活性炭材料的特性及應(yīng)用

與其他材料的實(shí)驗(yàn)資料對比可以看出,柱狀活性炭破點(diǎn)出現(xiàn)的時間長,這說明它具有很好的保護(hù)作用特性。加上柱狀活性炭床層的氣流阻力很低,使得它在吸附器床層的設(shè)計中具有很佳的操作特性。如果考慮薄床層的應(yīng)用, 分散狀活性炭用于1~2cm厚床層的設(shè)計在技術(shù)上是可行的。因此,在固定床層吸附器的選材設(shè)計中,分散狀活性炭所處的地位依然是重要的。可以說,活性炭布以外的幾種新型活性炭材料,雖可以考慮用于吸附器床層的設(shè)計 ,但應(yīng)和分散狀活性炭進(jìn)行充分的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)對比,然后再作出選擇。

需特別指出的是,活性炭纖維材料如果用于吸附床層的設(shè)計,應(yīng)充分研究它對所處理物質(zhì)的動態(tài)吸附特性,不要輕易地以它的靜活性推測出動活性數(shù)據(jù)。如果穿透曲線出現(xiàn)圖2所示的情況,則說明這種材料不該用于吸附器的設(shè)計中,此時吸附裝置可能成為廢氣通道,而難以保證凈化要求。

本文對新型活性炭材料的特性及應(yīng)用前景所進(jìn)行的分析,由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,目前尚難以做出更加全面的評價,希望有關(guān)的科研人員對于新型材料的實(shí)驗(yàn)研究方法以及用于后續(xù)開發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等做更多的工作,使之在勞動保護(hù)及其他專業(yè)技術(shù)中發(fā)揮更大的作用。

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