一种聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备方法、使用其的吸附装置及吸附方法与流程

本发明属于废气处理技术领域，涉及一种吸附剂的制备方法、使用其的吸附装置及吸附方法，尤其涉及一种聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备方法、使用其的吸附装置及吸附方法。

背景技术：

由于我国工业生产力度持续加大，产生的废气污染问题也更加严重。工业有机废气的排放除了会对生态环境造成破坏，还会严重影响人们的身体健康。比如，含有苯类的有机废气会对人的中枢神经造成损害，从而影响神经系统功能的正常运行。而含有戊醇的有机废气会引起人的头痛、腹泻等症状。所以，对于有机废气进行治理刻不容缓。作为一种有效的空气净化材料，必须满足以下要求：吸附量大、吸附速度快、良好稳定的力学性能、易脱附、分离工艺简便、能耗小等。

近年来以聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维为基体的离子交换纤维日益受到重视，与其原料丰富、耐酸碱腐蚀、价格低廉等优点是分不开的。同时，它们具有易于制备的优势—聚丙烯腈纤维中的氰基为离子交换纤维的化学改性提供了方便，而聚丙烯纤维易于改性。因此，聚丙烯腈纤维吸附技术由于造价成本较低和可行性强等优点，并且纤维本身有一定的弹性，应用形式灵活，可以制成线、非织造布等多种形式，在废气治理中得到了有效的应用，在废气处理等环境保护和资源回收领域具有良好的应用前景，是较理想的吸附材料。

对废气进行处理时，采用吸附法，常需要吸附装置，吸附装置是一种高效率经济实用型有机废气的净化与治理装置，是废气过滤吸附异味的环保设备产品，吸附装置具有吸附效率高、适用面广、维护方便，能同时处理多种混合废气等优点。而目前市面上的吸附设备，其维护操作过程复杂、不易清理等问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种站台门控系统及方法，本发明采用比表面积较大的聚丙烯腈纤维对挥发性有机化合物吸附，并且采用盐酸羟胺改性，引入氨基和羟基，而后又选用比表面大且基团丰富的氧化石墨烯进一步改性聚丙烯腈纤维，通过多步改性，丰富了聚丙烯腈纤维吸附剂的功能基团，提高了吸附性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备方法，所述的制备方法包括：聚丙烯腈与盐酸羟胺反应得到改性聚丙烯腈，改性聚丙烯腈与氧化石墨烯反应制备得到所述的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂。

本发明采用比表面积较大的聚丙烯腈纤维对挥发性有机化合物吸附，并且采用盐酸羟胺改性，引入氨基和羟基，而后又选用比表面大且基团丰富的氧化石墨烯进一步改性聚丙烯腈纤维，通过多步改性，丰富了聚丙烯腈纤维吸附剂的功能基团，提高了吸附性能。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的制备方法包括：

(ⅰ)聚丙烯腈在碱性环境中与盐酸羟胺反应得到改性聚丙烯腈；

(ⅱ)步骤(ⅰ)得到的改性聚丙烯腈与氧化石墨烯溶液混合反应，将反应产物分离干燥后得到所述的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤(ⅰ)所述的碱性环境为碱溶液。

优选地，所述的碱溶液为氢氧化钠溶液；

优选地，所述的碱溶液采用的溶剂为甲醇和/或水，进一步优选地，所述的溶剂为甲醇和水的混合液。

优选地，所述的甲醇与水的体积比为(10～15):1，例如可以是10:1、11:1、12:1、13:1、14:1或15:1，进一步优选地，所述的甲醇与水的体积比为12.5:1。

优选地，所述的聚丙烯腈、盐酸羟胺和碱溶液中溶质的质量比为(0.2～0.5):1:1，例如可以是0.2:1、0.3:1、0.4:1或0.5:1，进一步优选地，所述的聚丙烯腈、盐酸羟胺和碱溶液中溶质的质量比为0.3:1:1。

优选地，所述的反应温度为25～120℃，例如可以是25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，进一步优选地，所述的反应温度为25～80℃。

优选地，所述的反应在搅拌条件下进行。

优选地，所述的搅拌速率为20～40r/min，例如可以是20r/min、22r/min、24r/min、26r/min、28r/min、30r/min、32r/min、34r/min、36r/min、38r/min或40r/min。

优选地，所述的反应时间为2～4h，例如可以是2.0h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h、3.0h、3.1h、3.2h、3.3h、3.4h、3.5h、3.6h、3.7h、3.8h、3.9h或4.0h。

优选地，在步骤(ⅰ)的反应过程中保持反应产物连续回流。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤(ⅱ)所述的氧化石墨烯溶液采用如下方法制备得到：

氧化石墨烯在分散剂中均匀分散得到所述的氧化石墨烯溶液。

优选地，所述的氧化石墨烯通过氧化还原法制备得到。

优选地，所述的分散剂为去离子水。

优选地，所述的分散过程在超声环境下进行。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤(ⅱ)所述的反应时间为1～2h，例如可以是1.0h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2.0h。

优选地，所述的反应温度为25～120℃，例如可以是25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120℃，进一步优选地，所述的反应温度为25～80℃。

优选地，所述的分离为离心分离。

优选地，所述的干燥在真空环境下进行。

优选地，所述的干燥时间为20～30h，例如可以是20h、21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h，进一步优选为24h。

优选地，对分离后的反应产物进行冲洗直至产物的ph值呈中性。

优选地，所述的冲洗过程采用的冲洗液为甲醇溶液。

第二方面，本发明提供了一种有机废气吸附装置，所述的吸附装置包括壳体，所述壳体内部沿气体流向设置有至少一层吸附模块。

所述的吸附模块为第一方面所述的制备方法制备得到的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂。

本发明提供了一种便携式有机废气吸附装置，通过多模块控制，对废气进行吸附处理，吸附发生时，检测分析，达标排放。采用多模块的吸附工艺，多检测口，当废气达标时，通过自动化控制，关闭挡板，可大大减少操作费用以及材料费用，并且模块可拆卸，也有利于后期的设备检修等问题。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的吸附模块可拆卸设置于壳体内部。

优选地，所述壳体内部固定支撑装置，所述支撑装置用于放置吸附模块。

优选地，相邻的两层吸附模块之间设置有可拆卸挡板。

优选地，所述的可拆卸挡板由两个独立开合的可控挡板组成，两个可控挡板盖合后切断有机废气向上的流道，阻碍有机废气流向下一级吸附模块。

优选地，所述的可控挡板通过轴承与壳体固定，可控挡板绕轴承呈扇形开合。

优选地，所述的轴承电性连接驱动装置，轴承在驱动装置的驱动下旋转带动相连的可控挡板开合。

优选地，所述的驱动装置为电机。

优选地，所述的壳体底部设置有进气管路，待吸附有机废气经进气管路进入第一级吸附模块。

优选地，所述进气管路上沿有机废气流向依次设置有进气阀、流量检测装置和压力检测装置。

优选地，所述的壳体上设置有气体出口和气体检测口。

优选地，相邻两层吸附模块之间的壳体上设置有一个气体出口和一个气体检测口。

优选地，所述的气体出口外接出气管路，所述的出气管路上设置有出气阀。

优选地，所述的气体检测口外接检测管路，所述的检测管路上设置有检测阀。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的有机废气吸附装置还包括装置支撑架，所述的装置支撑架用于支撑并移动所述的有机废气吸附装置。

优选地，所述装置支撑架包括框架以及用于承托有机废气吸附装置的支撑板。

优选地，所述的支撑板为中心凹陷结构。

优选地，所述的装置支撑架的底面设置有便携式移动部件。

优选地，所述的便携式移动部件为脚轮，进一步优选地，所述的便携式移动部件为万向脚轮。

第三方面，本发明提供了一种有机废气吸附方法，采用第二方面所述的有机废气吸附装置对有机废气进行吸附操作。

所述的吸附操作包括：有机废气依次穿过吸附模块后达标排放。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的吸附方法包括：

(1)有机废气进入有机废气吸附装置，经过第一级吸附模块吸附处理；

(2)由检测口取样检测吸附后的气体是否达到排放标准，如果达到排放标准，将吸附处理后的气体外排，如果没有达到排放标准，开启可控挡板，气体进入下一级吸附模块进行二次吸附；

(3)重复进行步骤(2)直至有机废气达标排放。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用比表面积较大的聚丙烯腈纤维对挥发性有机化合物吸附，并且采用盐酸羟胺改性，引入氨基和羟基，而后又选用比表面大且基团丰富的氧化石墨烯进一步改性聚丙烯腈纤维，通过多步改性，丰富了聚丙烯腈纤维吸附剂的功能基团，即通过nh2oh·hcl处理，聚丙烯腈纤维上的c≡n基团转化为c(noh)nh2基团，具有很强的吸附能力，进一步加入氧化石墨烯后，形成nh-c＝o基团，丰富了聚丙烯腈纤维的功能基团，达到增大了其吸附性能。

(2)本发明提供了一种便携式有机废气吸附装置，通过多模块控制，对废气进行吸附处理，吸附发生时，检测分析，达标排放。采用多模块的吸附工艺，多检测口，当废气达标时，通过自动化控制，关闭挡板，可大大减少操作费用以及材料费用，并且模块可拆卸，也有利于后期的设备检修等问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备过程示意图；

图2为本发明实施例2提供的有机废气吸附装置的结构示意图。

其中，1-壳体；2-第一吸附模块；3-第二吸附模块；4-进气管路；5-进气阀；6-流量检测装置；7-压力检测装置；8-第一可控挡板；9-第一轴承；10-第二可控挡板；11-第二轴承；12-第一检测管路；13-第一检测阀；14-第一出气管路；15-第一出气阀；16-第二检测管路；17-第二检测阀；18-第二出气管路；19-第二出气阀。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供了一种聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备方法，所述的制备方法如图1所示的反应过程，包括以下步骤：

(1)制备改性聚丙烯腈：将4g聚丙烯腈纤维、200ml甲醇、16ml去离子水、12g氢氧化钠和12g盐酸羟胺(nh2oh·hcl)加入500ml的反应容器中，以20r/min的速度磁力搅拌持续反应4h，反应温度为25℃，反应过程中反应得到的改性聚丙烯腈连续回流；

(2)制备氧化石墨烯溶液：采用氧化还原法制备氧化石墨烯，制得的氧化石墨烯(go)在去离子水中超声分散均匀，得到氧化石墨烯溶液；

(3)制备聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂：将步骤(2)得到的氧化石墨烯溶液缓慢倒入步骤(1)得到的改性聚丙烯腈溶液中，25℃下持续反应2h，反应后观察到聚丙烯腈纤维的颜色变为黑黄色；

(4)后处理：反应结束后，反应液处理回收，得到的反应产物离心分离，并用甲醇水溶液清洗至中性，在真空干燥箱中真空干燥24h。

实施例2

本实施例提供了一种有机废气吸附装置，所述的吸附装置如图2所示，包括壳体1，壳体1内部沿气体流向设置有两层吸附模块，由下至上依次为第一吸附模块2和第二吸附模块3，其中，所用的吸附模块为实施例1制备得到的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂，吸附模块可拆卸设置于壳体1内部，壳体1内部固定支撑装置，所述支撑装置用于放置吸附模块。

第一吸附模块2和第二吸附模块3之间设置有可拆卸挡板，可拆卸挡板由独立开合的第一可控挡板8和第二可控挡板10组成，第一可控挡板8和第二可控挡板10盖合后可以切断有机废气向上的流道，阻碍有机废气流向第二吸附模块3。第一可控挡板8通过第一轴承9与壳体1固定，第二可控挡板10通过第二轴承11与壳体1固定，第一轴承9和第二轴承11独立地电性连接电极，在电极的驱动作用下，第一可控挡板8绕第一轴承9呈扇形开合，第二可控挡板10绕第二轴承11呈扇形开合，第一可控挡板8和第二可控挡板10相对独立地实现各自的开合。

壳体1底部设置有进气管路4，待吸附有机废气经进气管路4进入第一吸附模块2，进气管路4上沿有机废气流向依次设置有进气阀5、流量检测装置6和压力检测装置7。第一模块与可拆卸挡板之间的壳体1上设置有第一气体出口和第一气体检测口，第一气体出口外接第一出气管路14，第一出气管路14上设置有第一出气阀15，第一气体检测口外接第一检测管路12，第一检测管路12上设置有第一检测阀13。第二模块上方的壳体1上设置有第二气体出口和第二气体检测口，第二气体出口外接第二出气管路18，第二出气管路18上设置有第二出气阀19，第二气体检测口外接第二检测管路16，第二检测管路16上设置有第二检测阀17。

有机废气吸附装置还包括用于支撑所述的有机废气吸附装置的装置支撑架，装置支撑架包括框架以及用于托撑有机废气吸附装置的支撑板，支撑板为中心凹陷结构，装置支撑架的底面设置有万向脚轮，方便有机废气吸附装置自由移动。

实施例3

本实施例提供了一种有机废气吸附方法，采用实施例2提供的有机废气吸附装置对有机废气进行吸附操作，所采用的有机废气为天津某厂房承担箭体大件的喷漆工作，表面涂装过程中产生了有机废气污染物，其中包括的主要污染物有苯(23mg/m³)、甲苯与二甲苯合计(68mg/m³)和vocs(125mg/m³)。

具体的吸附操作包括如下步骤：

(1)有机废气进入有机废气吸附装置，经过第一级吸附模块吸附处理。

(2)由第一检测口取样检测吸附后的气体是否达到排放标准(经查阅天津当地的表面涂装挥发性有机物排放标准显示，废气中主要污染物的最高允许排放浓度为：苯的最高限值浓度为1mg/m³，甲苯与二甲苯合计的最高限值浓度为40mg/m³，vocs的最高限值浓度为90mg/m³)。

(3)经取样检测后发现，其中苯的含量未达排放标准，开启可控挡板，气体进入第二级吸附模块进行二次吸附，二次吸附后由第二检测口取样检测，检测结果表明已达排放标准，打开第二出气阀19，气体外排。

实施例4

本实施例提供了一种聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

(1)制备改性聚丙烯腈：将2.5g聚丙烯腈纤维、100ml甲醇、10ml去离子水、12.5g氢氧化钠和12.5g盐酸羟胺(nh2oh·hcl)加入反应容器中，以30r/min的速度磁力搅拌持续反应3h，反应温度为80℃，反应过程中反应得到的改性聚丙烯腈连续回流；

(2)制备氧化石墨烯溶液：采用氧化还原法制备氧化石墨烯，制得的氧化石墨烯(go)在去离子水中超声分散均匀，得到氧化石墨烯溶液；

(3)制备聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂：将步骤(2)得到的氧化石墨烯溶液缓慢倒入步骤(1)得到的改性聚丙烯腈溶液中，80℃下持续反应2h，反应后观察到聚丙烯腈纤维的颜色变为黑黄色；

(4)后处理：反应结束后，反应液处理回收，得到的反应产物离心分离，并用甲醇水溶液清洗至中性，在真空干燥箱中真空干燥24h。

实施例5

本实施例提供了一种有机废气吸附装置，所述的吸附装置包括壳体1，所述壳体1内部沿气体流向设置有三层吸附模块，其中，所用的吸附模块为实施例4制备得到的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂，吸附模块可拆卸设置于壳体1内部，壳体1内部固定支撑装置，支撑装置用于放置吸附模块。

相邻的两层吸附模块之间设置有可拆卸挡板，可拆卸挡板由两个独立开合的可控挡板组成，两个可控挡板盖合后可以切断有机废气向上的流道，阻碍有机废气流向下一级吸附模块。可控挡板通过轴承与壳体1固定，轴承电性连接电极，在电极的驱动下可控挡板绕轴承呈扇形开合。

壳体1底部设置有进气管路4，待吸附有机废气经进气管路4进入第一级吸附模块，进气管路4上沿有机废气流向依次设置有进气阀5、流量检测装置6和压力检测装置7。相邻两层吸附模块之间的壳体1上设置有一个气体出口和一个气体检测口，最后一级吸附模块上方也设置有一个气体出口和一个气体检测口，所有的气体出口外接出气管路，出气管路上设置有出气阀，所有的气体检测口外接检测管路，检测管路上设置有检测阀。

有机废气吸附装置还包括用于支撑所述的有机废气吸附装置的装置支撑架，装置支撑架包括框架以及用于托撑有机废气吸附装置的支撑板，支撑板为中心凹陷结构，装置支撑架的底面设置有万向脚轮，方便有机废气吸附装置自由移动。

实施例6

本实施例提供了一种有机废气吸附方法，采用实施例5提供的有机废气吸附装置对有机废气进行吸附操作，所采用的有机废气为北京某汽车整车制造厂涂装工作间排放的有机废气，其中包括的主要污染物有苯(23mg/m³)、苯系物(40mg/m³)和非甲烷总烃(39.8mg/m³)。

具体的吸附操作包括如下步骤：

(1)有机废气进入有机废气吸附装置，经过第一级吸附模块吸附处理。

(2)由第一检测口取样检测吸附后的气体是否达到排放标准(经查阅北京当地的大气污染物排放标准显示，废气中主要污染物的最高允许排放浓度为：苯的最高限值浓度为0.5mg/m³，苯系物的最高限值浓度为10mg/m³，非甲烷总烃的最高限值浓度为20mg/m³)。

(3)经取样检测后发现，废气未达排放标准，开启可控挡板，气体进入第二级吸附模块进行第二次吸附，吸附后由检测口取样检测，检测结果表明仍未达到排放标准；开启连通下一级吸附模块的可控挡板，气体进入第三级吸附模块进行第三次吸附，吸附后由相应的检测口取样检测，检测结果表明已达排放标准，由出气管路外排。

实施例7

本实施例提供了一种聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

(1)制备改性聚丙烯腈：将3g聚丙烯腈纤维、150ml甲醇、10ml去离子水、15g氢氧化钠和15g盐酸羟胺(nh2oh·hcl)加入反应容器中，以40r/min的速度磁力搅拌持续反应2h，反应温度为120℃，反应过程中反应得到的改性聚丙烯腈连续回流；

(2)制备氧化石墨烯溶液：采用氧化还原法制备氧化石墨烯，制得的氧化石墨烯(go)在去离子水中超声分散均匀，得到氧化石墨烯溶液；

(3)制备聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂：将步骤(2)得到的氧化石墨烯溶液缓慢倒入步骤(1)得到的改性聚丙烯腈溶液中，120℃下持续反应1h，反应后观察到聚丙烯腈纤维的颜色变为黑黄色；

(4)后处理：反应结束后，反应液处理回收，得到的反应产物离心分离，并用甲醇水溶液清洗至中性，在真空干燥箱中真空干燥24h。

实施例8

本实施例提供了一种有机废气吸附装置，所述的吸附装置包括壳体1，所述壳体1内部沿气体流向设置有四层吸附模块，其中，所用的吸附模块为实施例7制备得到的聚丙烯腈纤维有机废气吸附剂，吸附模块可拆卸设置于壳体1内部，壳体1内部固定支撑装置，支撑装置用于放置吸附模块。

相邻的两层吸附模块之间设置有可拆卸挡板，可拆卸挡板由两个独立开合的可控挡板组成，两个可控挡板盖合后切断有机废气向上的流道，阻碍有机废气流向下一级吸附模块。可控挡板通过轴承与壳体1固定，轴承电性连接电极，在电极的驱动下可控挡板绕轴承呈扇形开合。

壳体1底部设置有进气管路4，待吸附有机废气经进气管路4进入第一级吸附模块，进气管路4上沿有机废气流向依次设置有进气阀5、流量检测装置6和压力检测装置7。相邻两层吸附模块之间的壳体1上设置有一个气体出口和一个气体检测口，最后一级吸附模块上方也设置有一个气体出口和一个气体检测口，所有的气体出口外接出气管路，出气管路上设置有出气阀，所有的气体检测口外接检测管路，检测管路上设置有检测阀。

有机废气吸附装置还包括用于支撑所述的有机废气吸附装置的装置支撑架，装置支撑架包括框架以及用于托撑有机废气吸附装置的支撑板，支撑板为中心凹陷结构，装置支撑架的底面设置有万向脚轮，方便有机废气吸附装置自由移动。

实施例9

本实施例提供了一种有机废气吸附方法，采用实施例2提供的有机废气吸附装置对有机废气进行吸附操作，所采用的有机废气为山东某制药厂的化学药品原料药制造车间外排的工艺废气，其中包括的主要污染物有苯(36mg/m³)、苯系物合计(85mg/m³)和甲醛(15mg/m³)。

具体的吸附操作包括如下步骤：

(1)有机废气进入有机废气吸附装置，经过第一级吸附模块吸附处理。

(2)由检测口取样检测吸附后的气体是否达到排放标准(经查阅gb37823-2019只要工业大气污染物排放标准显示，废气中主要污染物的最高允许排放浓度为：苯的最高限值浓度为4mg/m³，甲苯与二甲苯合计的最高限值浓度为40mg/m³，甲醛的最高限值浓度为5mg/m³)。

(3)经取样检测后发现，废气未达排放标准，开启可控挡板，气体进入第二级吸附模块进行第二次吸附，吸附后由检测口取样检测，检测结果表明仍未达到排放标准；开启连通下一级吸附模块的可控挡板，气体进入第三级吸附模块进行第三次吸附，吸附后由相应的检测口取样检测，检测结果表明已达排放标准，由出气口外排。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。