CN109647354B - 一种改性纤维在净化voc方面的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性纤维在净化VOC方面的应用，属于室内空气处理技术领域，将改性纤维加工成吸附剂，所述吸附剂对VOC进行吸附回收；本发明改性纤维吸附剂易塑形加工，可纺织，可以加工成各种形状和规格，便于应用于各种型号的处理设备；易再生，经多次再生，其吸附性能降低不明显；吸附剂材料稳定性好，经多次再生几乎无损失；采用蒸馏‑冷凝方法再生该类吸附剂，可方便回收液化的VOC混合物，并进一步分离纯化，达到回收再利用的目的，从而解决二次污染问题。

Description

一种改性纤维在净化VOC方面的应用
技术领域
本发明属于室内空气处理技术领域，具体涉及一种改性纤维在净化VOC方面的应用。
背景技术
VOC(Volatile Organic Compound)，是常压下沸点在50-260℃的挥发性有机物的总称，包括脂肪烃类、芳香烃类、酯类、醛类及酚类等。其广泛来源于石油加工、化工、制药、油漆、喷漆、印刷、打印复印等各种行业的生产及储运过程。这些过程中产生的大量VOC废气对空气造成了日益严重的污染。许多VOC具有神经毒性、肾脏和肝脏毒性，甚至具有致癌作用，常常损害人和其他动物的血液和心血管系统，引起胃肠道紊乱，诱发免疫系统、内分泌系统及造血系统疾病。同时，VOC作为二次PM 2.5的一种前体物，也是导致雾霾天气形成的主因之一，业已成为威胁人体健康的重要因素。现阶段，很多国家与地区陆续开始对VOC排放进行规范与限制。随着雾霾、PM 2.5等大气问题在我国日趋严重，在源头上控制VOC排放势在必行。
现阶段常见VOC有机废气处理技术可大体上分为两类：一类是传统处理方法，其基本思路是利用吸收过滤、燃烧分离排放的VOC，或在末端采取分离提纯等措施，达到资源化循环利用。常见的有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分离、燃烧法等；另一类是低温等离子体、光催化氧化、生物转化技术等。其中，传统处理技术应用更为普遍。
在传统的VOC处理技术方法中，吸附法是目前应用最广、技术最成熟的方法。一般选活性炭或改性活性炭作为吸附剂，其具有吸附能力强、原料易得等优点，后期将吸附了VOC的活性炭燃烧，或蒸馏再生。但是，活性炭吸附剂存在明显的缺陷，如不易塑形加工、再生困难、设备体积偏大等，对于空间小、浓度低的VOC污染的空气处理并非特别合适的手段。因此研究一种能够替代活性炭的吸附剂以提高VOC处理效率是非常必要的。
发明内容
本发明提供了一种改性纤维在净化VOC方面的应用，解决了上述问题，本发明是通过如下技术方案来实现的。
本发明目的是提供一种改性纤维在净化VOC方面的应用，将改性纤维加工成吸附剂，利用所述吸附剂对VOC进行吸附回收。
优选地，所述改性纤维为纤维二乙酸酯、纤维三乙酸酯、纤维二苯甲酸酯和纤维三苯甲酸酯中的任意一种或几种组合。
优选地，所述吸附剂为用纺织设备重新将改性纤维纺织并裁剪加工成不同规格的吸附剂材料层或加工成无纺布类吸附剂材料。
优选地，所述改性纤维的具体制备方法包括以下步骤：
纤维的酰化反应：
Figure BDA0001971336730000031
使用质量分数为18％的氢氧化钠溶液对植物纤维进行活化；将活化后的植物纤维加入质量分数为36％的乙酸中，70℃反应1h，之后加入酸酐，在质量分数为98％的浓硫酸的催化作用下，90℃反应2h，过滤，得纤维中间体；将所述纤维中间体浸入质量分数21％的乙酸镁溶液中10min，过滤洗涤至中性，干燥，制得改性纤维；
所述植物纤维:乙酸质量比为1:5；所述植物纤维:酸酐质量比为1:5；所述植物纤维:浓硫酸质量比为1:0.01。
优选地，所述酸酐为乙酸酐或苯甲酸酐。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)改性纤维吸附剂易塑形加工，可纺织，可以加工成各种形状和规格，便于应用于各种型号的处理设备，特别是体积小，重量轻的处理设备，尤其有利于制造精巧的小型化室内VOC净化设备，解决小型汽车喷漆房、印刷车间、复印店等产生的VOC污染的空气净化问题；
(2)改性纤维吸附剂易再生，经多次再生，其吸附性能降低不明显，对降低处理成本极为有利；
(3)改性纤维吸附剂稳定性好，经多次再生，该吸附剂材料几乎无损失，对降低处理成本也极为有利；
(4)采用蒸馏-冷凝方法再生改性纤维吸附剂，可方便回收液化的VOC混合物，并进一步分离纯化，达到回收再利用的目的，从而解决二次污染问题。
附图说明
图1为改性纤维吸附剂对有机溶剂吸附率的测试装置示意图；
图2为改性纤维对甲苯吸附率图；
图3为改性纤维对乙酸乙酯吸附率图；
图4为改性纤维对丙酮吸附率图；
图5为普通活性炭对甲苯吸附率图。
附图标记说明：
1、空压机，2、转子流量计，3、挥发性有机物吹脱瓶，4、气体混合瓶，5、改性纤维吸附柱，6、气体采样口，7、气体三通。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
改性纤维的制备
实施例1
使用质量分数18％的氢氧化钠溶液对植物纤维进行碱性活化2h，之后水洗至中性，干燥备用；将活化后的植物纤维加入质量分数为36％的乙酸中，70℃反应1h，之后加入乙酸酐，在质量分数为98％的浓硫酸的催化作用下，90℃反应2h，过滤，得改性纤维中间体；将所述改性纤维中间体浸入质量分数21％的乙酸镁溶液中10min，过滤洗涤至中性，干燥，制得纤维三乙酸酯和纤维二乙酸酯混合物；
所述植物纤维:乙酸质量比为1:5；所述植物纤维:乙酸酐质量比为1:5；所述植物纤维:浓硫酸质量比为1:0.01。
实施例2
使用质量分数18％的氢氧化钠溶液对植物纤维进行碱性活化2h，之后水洗至中性，干燥备用；将活化后的植物纤维加入质量分数为36％的乙酸中，70℃反应1h，之后加入苯甲酸酐，在质量分数为98％的浓硫酸的催化作用下，90℃反应2h，过滤，得改性纤维中间体；将所述改性纤维中间体浸入质量分数21％的乙酸镁溶液中10min，过滤洗涤至中性，干燥，制得纤维三苯甲酸酯和纤维二苯甲酸酯混合物；
所述植物纤维:乙酸质量比为1:5；所述植物纤维:苯甲酸酐质量比为1:5；所述植物纤维:浓硫酸质量比为1:0.01。
改性纤维在净化VOC方面的应用
应用实施例1
将实施例1制备的纤维三乙酸酯和纤维二乙酸酯混合物和实施例2制备的纤维三苯甲酸酯和纤维二苯甲酸酯混合物按质量比1:1混合，制得改性纤维混合物，将改性纤维混合物采用纺织设备重新纺织、裁剪成不同规格的吸附剂材料层，或加工成无纺布类吸附材料，检测改性纤维作为吸附剂净化VOC的性能，评价装置如图1所示，空压机1与挥发性有机物吹脱瓶3连通，挥发性有机物吹脱瓶3另一端与气体混合瓶4连通，另外，空压机1还通过气体三通7与气体混合瓶4直接连通，气体混合瓶4另一端与改性纤维吸附柱5连通；空压机1一方面将空气吹向挥发性有机物吹脱瓶3，挥发性有机物吹脱瓶3内的挥发性有机物再被空气吹至气体混合瓶4中，另一方面，空压机1还可以直接将空气吹至气体混合瓶4，纯净空气与挥发性有机物在气体混合瓶4进行混合，在此过程中可通过转子流量计2进行流量监控，气体混合瓶4中的混合气体进入改性纤维吸附柱5，改性纤维吸附柱5两端分别设有气体采样口6，可以对改性纤维吸附柱5的进口及出口浓度进行检测；改性纤维吸附柱5，由透明有机玻璃柱制成，内径50mm，柱内填充改性纤维吸附层，改性纤维被加工成外径50mm的圆盘形，厚度400mm。该装置可以控制及显示表观气体流速，还可以调节挥发性有机物的气体浓度，该浓度通过氢焰离子气相色谱检测确定。吸附率Y(％)＝(进口浓度-出口浓度)/进口浓度。
本发明分别测试了改性纤维吸附剂对常见VOC成分中的有机溶剂甲苯、乙酸乙酯及丙酮的吸附净化能力，实验条件如下：
(1)实验在室温下进行；
(2)设定高(150m/h)和低(80m/h)两种流速；
(3)调节有机溶剂的浓度在200mg/m3至1000mg/m3之间变化。
净化结果如图2～4所示，图2为改性纤维对甲苯的吸附性能，气体流速对吸附率有影响，但并不影响其变化趋势；高流速(150m/h)比低流速(80m/h)状态下吸附率平均降低了7.7％；进气口甲苯浓度也对吸收率有较大影响，随着进气口甲苯浓度的增大，吸附率呈下降趋势。在进气口甲苯浓度较低(200-500mg/m3)的情况下,改性纤维对甲苯吸附率在84-94％之间；图3为改性纤维对乙酸乙酯的吸附性能，改性纤维对乙酸乙酯的吸附率同对甲苯的吸附率情况极为相似，当在同样条件下，其吸附率略有下降(1-2％)；图4为改性纤维对丙酮的吸附性能，改性纤维对丙酮的吸附率同对甲苯及乙酸乙酯的吸附率情况也很相似，当在同样条件下，其比甲苯吸附率略有下降(1-2％)。
为了比较改性纤维吸附剂和普通活性炭吸附剂的吸附性能差异，本发明应用了相同质量的普通活性炭在同样吸附测试条件下对甲苯的吸附性能作为对照(图5)。所述普通活性炭吸附剂为颗粒状活性炭，其比表面积为910m2/g，充填密度为0.51g/cm3；所述相同质量是指在吸附柱内填充的普通活性炭吸附剂的质量与吸附柱内填充的改性纤维吸附剂的质量相等；所述同样吸附测试条件是指应用同一测试装置(图1)、同样温度、同样气体流速和同样的甲苯浓度变化范围。如图5所示，在高流速(150m/h)和较低浓度(200-500mg/m3)情况下，普通活性炭对甲苯吸附率在80-87％之间；在低流速(80m/h)和较低浓度(200-500mg/m3)状态下其对甲苯吸附率在90-95％之间。比较结果说明在同样条件下，改性纤维吸附剂的吸附性能与普通活性炭吸附剂的吸附性能相当。但是，如下所述，改性纤维吸附剂拥有的高机械强度、易塑形加工，可纺织、易再生，材料再生损失率低、再生吸附剂吸附性能衰减小等优势是普通活性炭吸附剂所不具备的。
改性纤维吸附剂再生能力检测方法如下所述：
将固定质量的、首次使用的改性纤维对乙酸乙酯进行近饱和吸附，之后将近饱和吸附的改性纤维吸附剂材料装入蒸馏瓶中，在氮气保护下100℃加热1h，冷凝回收乙酸乙酯；冷却至室温，取出改性纤维吸附剂材料，称重，计算该材料的再生损失率，再生损失率(％)＝(初始吸附剂材料质量(g)-再生吸附剂材料质量(g))/初始吸附剂材料质量(g)×100％。之后每次再生均使用首次使用的同一批次的改性纤维吸附剂材料，再生方法相同。所述吸附剂再生，是指采用普通蒸馏-冷凝方法将被吸附的VOC从吸附剂上脱除并液化分离的过程；所述固定质量是指首次使用的改性纤维吸附剂的质量固定；所述近饱和吸附是指以前述对乙酸乙酯吸附率测定为模型，经长时间吸附，测定的吸附柱进气口乙酸乙酯浓度与出气口乙酸乙酯浓度相当的状态。
为了与普通活性炭对照，本发明也对普通活性炭吸附剂进行了再生及再生普通活性炭吸附率的测定，并以同样方法在同样条件下计算了其吸附剂材料再生损失率。将首次使用且与首次使用的改性纤维吸附剂质量相同的普通活性炭吸附剂进行近饱和吸附，之后的再生方法与上述改性纤维吸附剂再生方法相同。
测试吸附剂再生次数对其吸附能力的影响：将再生吸附剂重新装填入吸附柱中，固定气体流速为80m/h，以对乙酸乙酯的吸附率为模型，在低浓度条件下(200-400mg/m3)，测试吸附剂再生次数对其吸附率的影响；改性纤维吸附剂和普通活性炭吸附剂对照结果如表1所示。
吸附剂材料再生损失率的测定和计算：以首次使用的相同质量的改性纤维吸附剂和普通活性炭吸附剂材料为基础，在同样条件下再生处理，其再生损失率对照结果如表1所示：
表1吸附剂再生次数对乙酸乙酯吸附率的影响及吸附剂材料再生损失率
Figure BDA0001971336730000081
由表1可以看出，再生后的改性纤维吸附剂仍具有良好的吸附性能，经10次再生，其对乙酸乙酯的吸附率仅下降3.7％，同时，再生过程中改性纤维吸附剂材料几乎没有损失(小于1％)；而普通活性炭吸附剂经4次再生，其平均吸附率下降17％，且其再生损失率平均达到18％，因此本发明改性纤维吸附剂具有极高的再生能力。
应用实施例2
将纤维乙酰化制备的纤维三乙酸酯及纤维二乙酸酯混合物与将纤维苯甲酰化制备的纤维三苯甲酸酯及纤维二苯甲酸酯混合物按1:1重新混合，作为改性纤维吸附剂，整理后填入内径为50cm、高度为80cm的圆柱型有机玻璃吸附柱中。为了方便填入，预先将改性纤维加工成直径为50cm、厚度为8-10cm的圆盘状材料，选用风机的出风口直径为50cm，设定流速为1m/s，其流量控制在700m3/h左右。用氢焰离子气相色谱分析VOC浓度。
将上述装置放置在一个面积为50m2的相对封闭的彩喷印刷车间内，其室内VOC初始浓度在200-400mg/m3之间。开动该设施净化室内空气，20min后，取样测定空气中VOC浓度为15-25mg/m3。
应用实施例3
将应用实施例2中所述装置放置在一个面积为30m2的相对封闭的小型汽车喷漆房内，其室内VOC初始浓度在300-500mg/m3之间。开动该设施净化室内空气，20min后，取样测定空气中VOC浓度为13-28mg/m3。
由上述结果可得，本发明改性纤维用作吸附剂，吸附剂能够有效地吸附VOC；改性纤维吸附剂易再生，经多次再生，其吸附性能降低不明显，对降低处理成本极为有利；吸附剂易塑形加工，可纺织，可以加工成各种形状和规格，便于应用于各种型号的处理设备，特别是体积小，重量轻的处理设备，尤其有利于制造精巧的小型化室内VOC净化设备，解决小型汽车喷漆房、印刷车间、复印店等产生的VOC污染的空气净化问题；采用蒸馏-冷凝方法再生该类吸附剂，可方便回收液化的VOC混合物，并进一步分离纯化，达到回收再利用的目的，从而解决二次污染问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种改性纤维在净化VOC方面的应用，其特征在于，将改性纤维加工成吸附剂，利用所述吸附剂对VOC进行吸附回收，所述改性纤维为纤维二乙酸酯、纤维三乙酸酯、纤维二苯甲酸酯和纤维三苯甲酸酯中的任意一种或几种组合；
所述吸附剂为用纺织设备重新将改性纤维纺织并裁剪加工而成的吸附剂材料层或加工成无纺布类吸附剂材料；
检测改性纤维作为吸附剂净化VOC的性能的评价装置包括：
空压机(1)与挥发性有机物吹脱瓶(3)连通，挥发性有机物吹脱瓶(3)另一端与气体混合瓶(4)连通，空压机(1)还通过气体三通(7)与气体混合瓶(4)直接连通，气体混合瓶(4)另一端与改性纤维吸附柱(5)连通；空压机(1)一方面将空气吹向挥发性有机物吹脱瓶(3)，挥发性有机物吹脱瓶(3)内的挥发性有机物再被空气吹至气体混合瓶(4)中，空压机(1)还直接将空气吹至气体混合瓶(4)，纯净空气与挥发性有机物在气体混合瓶(4)进行混合，通过转子流量计(2)进行流量监控，气体混合瓶(4)中的混合气体进入改性纤维吸附柱(5)，改性纤维吸附柱(5)两端分别设有气体采样口(6)，对改性纤维吸附柱(5)的进口及出口浓度进行检测；改性纤维吸附柱(5)，由透明有机玻璃柱制成，柱内填充改性纤维吸附层。
2.根据权利要求1所述的改性纤维在净化VOC方面的应用，其特征在于，所述改性纤维的具体制备方法包括以下步骤：
使用质量分数为18％的氢氧化钠溶液对植物纤维进行活化；将活化后的植物纤维加入质量分数为36％的乙酸中，70℃反应1h，之后加入酸酐，在质量分数为98％的浓硫酸的催化作用下，90℃反应2h，过滤，得纤维中间体；将所述纤维中间体浸入质量分数21％的乙酸镁溶液中10min，过滤洗涤至中性，干燥，制得改性纤维；
所述植物纤维:乙酸质量比为1:5；所述植物纤维:酸酐质量比为1:5；所述植物纤维:浓硫酸质量比为1:0.01。
3.根据权利要求2所述的改性纤维在净化VOC方面的应用，其特征在于，所述酸酐为乙酸酐或苯甲酸酐。
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