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- 【鑫英環保】科普篇——VOCs廢氣治理之活性炭吸附法技術分析
活性炭是應用最廣泛的吸附劑，其生產和使用可以追溯到19世紀。活性炭之所以被廣泛使用主要是因其具有大量的微孔和中孔，且表面積巨大。典型活性炭的孔徑分布及其與其他吸附劑的比較如下圖所示。
據了解，活性炭吸附技術是VOCs治理的主流技術之一，技術成熟、簡單易行、治理成本低、適應范圍廣，在所有的治理技術中占有非常大的市場份額，在涂裝、包裝印刷、石油化工、化學品制造、醫藥化工和異味治理等領域都得到了廣泛的應用。
一、廢氣的預處理
1.污染物濃度要求
除溶劑和油氣儲運銷裝置的有機廢氣吸附回收外，進入吸附裝置的有機廢氣中有機物的濃度應低于其爆炸極限下限的25%。當廢氣中有機物的濃度高于其爆炸極限下限的25%時，應使其降低到其爆炸極限下限的25%后方可進行吸附凈化。
對于含有混合有機化合物的廢氣，其控制濃度P應低于最易爆炸組分或混合氣體爆炸極限下限值的25%，即P
Pm=(P1+P2+…+Pn)/(V1/P1+V2/P2+…+Vn/Pn)
式中：
Pm——混合氣體爆炸極限下限值，%
P1，P2，…，Pn——混合有機廢氣中各組分的爆炸極限下限值，%
V1，V2，…，Vn——混合有機廢氣中各組分所占的體積百分數，%
n——混合有機廢氣中所含有機化合物的種數。
2.氣體溫度要求
進入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃。
3.廢氣濕度對活性炭吸附性能的影響
（1）由于活性炭表面通常含有大量的含氧基團，一般活性炭均具有較強的吸水能力，與有機物產生競爭吸附作用。
（2）活性炭中含有灰分（金屬氧化物），提高了其吸水能力。
3.如何提高活性炭的疏水性能
（1）原材料的影響：如煤種的影響、瀝青基球型活性炭具有較好的疏水能力；
（2）高碘值活性炭（揮發份低）的疏水能力通常要優于低碘值的活性炭；
（3）對活性炭進行表面疏水改性，去除或減少表面含氧基團、降低灰分（金屬氧化物）。
4.顆粒物的含量要求
（1）進入吸附裝置的顆粒物含量宜低于1mg/m³。
（2）粉塵：細顆粒物（化工、家具等）
（3）漆霧顆粒物（形成氣溶膠）：影響最大
（4）絮狀顆粒物：印刷、橡膠、化纖等生產過程產生
5.廢氣成分的影響
（1）活性炭的“中毒”（或劣化）：
高沸點（或“半揮發性”）物質再生困難，在活性炭上聚集，如硅烷、油脂等化合物，需要通過冷凝、過濾、吸附等預處理首先進行去除；
發生聚合反應，造成在活性炭上聚集，如甲醛、苯乙烯等；
二硫化碳（硫化氫）等吸附反應形成單質硫的聚集。
在吸附氣體中即使含有微量的高分子物質或聚合性物質，在活性炭中聚集，也會很快引起活性炭吸附性能急劇下降。
（2）活性炭的反應活性（催化性）：
活性炭表面具有催化活性，會與一些化合物部分進行氧化、水解等催化反應。
典型反應：
a.乙酸乙酯、乙酸丙酯等易發生水解反應形成有機酸；
b.MEK（甲乙酮）、MIBK（甲基異丁基酮）易被氧化形成有機酸和丁二酮；環己酮氧化或聚合形成環亞己基環己酮；
c.甲醛、苯乙烯等易發生聚合反應；
d.其他：如樹脂生產中的添加劑帶入二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺在活性炭上會發生水解生產二甲胺，造成臭氣排放問題。
6.造成的問題：
（1）回收的溶劑變色、發臭（如包裝印刷廢氣）；
（2）聚合后難再生，造成活性炭中毒（劣化）
（3）反應放熱，造成活性炭著火。
二、基本工藝流程
1.工藝流程圖
2.工藝說明
車間有機廢氣通過吸氣罩收集，在排風機作用下，經過管道輸送進入干式過濾器，再進入活性炭吸附裝置，有機污染物被活性炭吸附，凈化后的氣體經風機增壓后達標排放。活性炭吸附飽和后，請專業廠家再生后回用。
3.活性炭的吸附原理
a.物理吸附主要是通過活性炭去除液相和氣相中的雜質。
活性炭的多孔結構提供了大量的表面積，這使得它很容易吸收和收集雜質。像磁性一樣，所有的分子都有相互吸引。正因為如此，活性炭孔壁上的大量分子能產生強大的重力，從而將介質中的雜質吸引到孔徑上。需要注意的是，這些吸附雜質的分子直徑必須小于活性炭的孔徑，這樣才能保證雜質被吸收到孔徑中。這就是為什么我們通過不斷地改變原料和活化條件來創造具有不同孔隙結構的活性炭，從而使其能夠應用于各種雜質吸收的應用。
化學吸附是指活性炭表面的化學官能團與吸附質之間的化學反應。活性炭不僅含有碳，還包括少量的氧、氫等元素，形成了如羧基、羥基、酚類等官能團。這些官能團能夠與吸附質發生化學反應，形成化學鍵，從而實現吸附。化學吸附通常發生在較高的溫度和壓力下，且吸附過程是不可逆的。
b.活性炭對廢氣吸附的特點：
（1）對于芳香族化合物的吸附優于對非芳香族化合物的吸附。
（2）對帶有支鍵的烴類物理優于對直鏈烴類物質的吸附。
（3）對有機物中含有無機基團物質的吸附總是低于不含無機基團物質的吸附。
（4）對分子量大和沸點高的化合物的吸附總是高于分子量小和沸點低的化合物的吸附。
（5）吸附質濃度越高，吸附量也越高。
（6）吸附劑內表面積越大。吸附量越高。
4.活性碳纖維
以新型吸附材料—活性碳纖維（ACF）為吸附劑的吸附法是近幾年發展起來的一種新型的有機廢氣回收方法，被認為是最有效的回收凈化有機廢氣的新方法，近年來已引起廣大研究工作者和相關企業的極大關注。與傳統的活性炭相比，活性碳纖維具有以下優異特性：
（1）比表面積大，有效吸附容量高；
（2）吸附、脫附快，能耗低，容易再生；
（3）強度高、壽命長；
（4）形狀多樣，便于工程應用；
（5）可吸附低濃度氣體；
（6）吸附選擇性強。
5.活性碳纖維有機廢氣回收裝置
以活性碳纖維有機廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例，分析其設備組成、工藝流程及技術特點。
（1）設備組成
吸附設備由引風風機、表冷器、過濾器、吸附器、分層槽等組成，整個系統的運行由PLC程序控制，自動切換吸附器，使之交替進行吸附、解吸和干燥工藝過程的操作。
（2）工藝流程
揮發性有機氣體先經過一定的前處理裝置，再經過濾器進一步去除尾氣中的雜質，以保證這些雜質不占用活性碳纖維的孔隙，影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命；過濾后的尾氣經風機引入吸附設備。
吸附了一定數量有機溶劑的活性碳纖維，用飽和水蒸汽進行解吸，解吸完成后將通過過濾的外界空氣送入吸附器由風機進行干燥，使活性碳纖維床層冷卻并去除殘留的蒸汽，使活性碳纖維保持較高的吸附效率。干燥好的吸附器進入下一工作程序循環進行吸附。
解吸出的含有機物的混合蒸汽進入冷凝器中進行一級冷凝，冷凝液再經板式冷凝器冷卻，經過冷凝的有機物和冷凝水進入分層槽，經重力分層，上層的有機物自動溢流至儲槽，然后經輸送泵送到吸附回收設備；下層的冷凝水排入廢水處理系統。
三、技術特點
（1）結構合理
吸附芯為籠型結構，具有活性碳纖維用量少，處理風量大的特點，可大幅度降低有機廢氣處理成本。
（2）吸附率高
由于活性碳纖維的比表面積特性，決定了其吸附率可高達95%以上。采用專利技術可以實現多級吸附，可以達到極高的吸附率，是目前國際上能夠達到苛刻的環保排放要求的吸附裝置。
（3）運行能耗低、費用低
由于活性碳纖維的脫附、再生能耗低，再加上活性碳纖維纏繞芯的氣流阻力小、風機功率小，所以在運行中活性碳纖維有機廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均比較低。
（4）全自動控制、無人值守運行
采用可編程序控制器中央控制，集成電磁閥、托氣缸執行動作，可靠性高。按照工藝流程設計的模擬盤顯示，運行狀況可以一目了然，并設計有故障檢測及指示功能。可靠性強、操作簡單、便于維護。
（5）安全可靠、適用于有爆炸危險場所
采用防爆風機、防爆泵。控制柜、氣動柜采用正壓防爆技術，外部信號通過安全柵連接，系統接地，確保了裝置的安全性。