有機(jī)廢氣治理吸附技術(shù)

1、有機(jī)廢氣治理吸附技術(shù)胡琦璇（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，環(huán)測(cè)學(xué)院）摘要：介紹了揮發(fā)性有機(jī)廢氣吸附的先進(jìn)技術(shù)及其進(jìn)展，闡明了最新發(fā)展的解吸技術(shù)及吸附材料使解吸的時(shí)間縮短、效率提高、能耗少和解決難解吸等問(wèn)題，改進(jìn)的催化燃燒設(shè)備及催化材料則能更有效地凈化及減少二次污染的產(chǎn)生，這些先進(jìn)的技術(shù)及新材料為治理提供了有效的途徑。關(guān)鍵詞：有機(jī)廢氣吸附吸附劑Abstract: The rece nt progress of adva need tech no logy on adsorpti on for clea ning volatile orga nic compo unds is review, no vel ads

2、orpti on- desorptio n tech nique and adsorbe nt can shorte n desorpti on time, enhance efficie ncy, save en ergy and solve hard- desorptio n problem, and the new developme nt of combustio n devices and catalyst will purify VOCs more efficie ntly, so, those adva need tech no logy and new material wil

3、l treat VOCs in a appropriate way.Keyword： VOC adsorption adsorbent大氣污染是我國(guó)目前最突出的環(huán)境問(wèn)題之一。工業(yè)廢氣是大氣污染物的重要來(lái)源。大量工業(yè)廢氣排人大氣，必然使大氣環(huán)境質(zhì)量下降，給人體健康帶來(lái)嚴(yán)重 危害。工業(yè)廢氣中最難處理的就是有機(jī)廢氣，有機(jī)廢氣通過(guò)呼吸道和皮膚進(jìn)入人 體后，能給人的呼吸、血液、肝臟等系統(tǒng)和器官造成暫時(shí)性和永久性病變，尤其 是苯并芘類(lèi)多環(huán)芳烴能使人體直接致癌，已經(jīng)引起人類(lèi)的高度重視。有機(jī)廢氣主要來(lái)源于石油和化工行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢氣，特點(diǎn)是數(shù)量較大，有機(jī)物含量波動(dòng)性大、可燃、有一定毒性，有的還有惡臭，而

4、氯氟烴的排放 還會(huì)引起臭氧層的破壞。石油和化工工廠及石化產(chǎn)品的存儲(chǔ)設(shè)施，印刷及其他與 石油和化工有關(guān)的行業(yè)，使用石油、石油化工產(chǎn)品的場(chǎng)合和燃燒設(shè)備，以石油產(chǎn)品為燃料的各種交通工具都是有機(jī)廢氣的源頭。有機(jī)廢氣一般都存在易燃易爆、 有毒有害、不溶于水、溶于有機(jī)溶劑、處理難度大的特點(diǎn)。吸附法具有效率高、凈化徹底、易于推廣實(shí)用、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益良好等 優(yōu)點(diǎn)。目前最成熟的吸附系統(tǒng)是19771979年在日本開(kāi)發(fā)成功的蜂窩輪吸附。 經(jīng)過(guò)多年的改善，蜂窩狀吸附輪的性能得到了不斷的提高.Mitsuma 丫等人提出的制造蜂窩輪新方法，能夠使 VOCs的去除率高達(dá)90滄95%一、吸附技術(shù)概述vocss過(guò)活性炭、疏

5、水硅膠等吸附劑時(shí)， VOCs組分吸附在吸附劑表面，然 后再經(jīng)過(guò)減壓脫附或熱脫附，富集的 VOCs被抽吸到儲(chǔ)罐或用其他方法液化，而 未被吸附的尾氣直接排人大氣，從而實(shí)現(xiàn) VOCs和空氣的分離。吸附法是回收低 濃度VOCs最為廣泛的方法之一。然而，對(duì)于高濃度、大流量的VOCs治理，活性炭吸附VOCs時(shí)存在一些問(wèn)題， 如：熱效應(yīng)高，如活性炭吸附高濃度油氣時(shí)，吸附床溫升可達(dá)50 一 60C,從而可能帶來(lái)一系列問(wèn)題；如果 VOCs中含有酮醛、酯、烯烴、硫等活性物質(zhì)， 會(huì)在活性炭表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，堵塞炭孔，而且它們?cè)诟呶綗岬淖饔孟?，?huì)發(fā)生氧化催化，造成嚴(yán)重的火災(zāi)事故，國(guó)外已有相關(guān)的著火事故案例；活性炭解

6、吸再生難以徹底，如三苯很難完全真空脫附，易使活性炭失效，從而存在二次污 染問(wèn)題；活性炭微孔逐漸被破壞后，縮短其使用壽命，從而增加廢處理費(fèi)用； 一般炭層在120 C下解吸很難引起自燃著火，但在國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的水蒸氣脫附/ 干燥工藝中，為了提高設(shè)備的處理能力而在較高的溫度下解吸，這可能會(huì)引起自 燃，為此，日本政府從安全的角度考慮，已嚴(yán)禁使用可燃性的活性炭作為VOCs回收的吸附劑。日本國(guó)東京都條例規(guī)定，當(dāng)VOCs體積分?jǐn)?shù)l %，則禁止使用可 燃性活性炭吸附劑。但是，吸附法在回收VOCsk展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是可以將油氣體積分?jǐn)?shù)控制在很低 的范圍內(nèi)，因此吸附法更適合用于低濃 VOCSR附，也就是與其他技術(shù)集成，作

7、為后端處理。目前，吸附法用于低濃度油氣回收，技術(shù)較為成熟。然而，對(duì)于不 同組分、不同濃度VOC啲回收，吸附工藝參數(shù)還需進(jìn)一步優(yōu)化。如對(duì)于含有酮、 烯烴、硫等活性物質(zhì)的VOCs還需進(jìn)行VOCs專(zhuān)用吸附劑或復(fù)合吸附劑的開(kāi)發(fā)、 吸附塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化等。二、吸附技術(shù)工藝1. 吸附-水蒸汽再生-溶劑回收凈化工藝吸附-水蒸汽再生-溶劑回收工藝是目前最為廣泛使用的回收技術(shù)， 其原理是 利用粒狀活性炭、活性炭纖維或沸石等吸附劑的多孔結(jié)構(gòu)， 將廢氣中的有機(jī)物捕 獲；當(dāng)廢氣通過(guò)吸附床時(shí)，其中的有機(jī)物被吸附劑吸附在床層中，廢氣得到凈化； 由于吸附劑的價(jià)格較高，需要對(duì)其進(jìn)行脫附再生，循環(huán)使用。當(dāng)吸附劑吸附達(dá)到 飽和

8、后，通入水蒸汽加熱吸附床，對(duì)吸附劑進(jìn)行脫附再生，有機(jī)物被吹脫放出， 并與水蒸汽形成蒸汽混合物一起離開(kāi)吸附床。用冷凝器冷卻蒸汽混合物，使其冷 凝為液體。若有機(jī)溶劑為水溶性的，則使用精餾法，將液體混合物分離提純；若 為水不溶性，則用分離器直接分離回收 VOCs具體可見(jiàn)圖I。水蒸汽吸附水蒸汽再生-溶劑回收凈化工藝吸附一水蒸汽再生凈化工藝，利用吸附劑吸附有機(jī)物，然后用蒸汽脫附，最 后直接分離或進(jìn)一步精餾對(duì)不溶于水的溶劑，它是常規(guī)吸附方法與溶劑回收方法 的組合，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、效率高，適用于中、低濃度、大風(fēng)量的 VOcsS氣，但投資較大、水蒸汽消耗大、溶劑回收有時(shí)成本高2. 吸附一熱再生一催化燃燒凈化

9、工藝吸附-催化燃燒工藝是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的常規(guī)吸附方法與催化燃燒方法 的組合工藝。該工藝原理是當(dāng)吸附劑吸附達(dá)到飽和后，用熱氣流將有機(jī)物從吸附 劑上脫附下來(lái)，使其再生，解吸釋放的高濃度 VOCS廢氣送往催化器催化燃燒， 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，一部分用于預(yù)熱解吸后的高濃度 VOCS廢氣，另一部分 用于熱解吸，其典型工藝流程可見(jiàn)圖 2。該工藝凈化度高、適用范圍廣，適用于中、低濃度、大風(fēng)量的vocs廢氣，但投資大、催化劑容易中毒、不易維修。其中濃縮輪吸附一催化燃燒工藝是目前 研究應(yīng)用的一個(gè)典型案例。濃縮輪是一個(gè)由裝滿(mǎn)吸附劑 （活性炭、活性炭纖維或 沸石）的旋轉(zhuǎn)輪組成，廢氣從旋轉(zhuǎn)輪上游側(cè)進(jìn)入濃縮輪的吸

10、附機(jī)區(qū)，其中的有機(jī) 物被吸附，凈化的廢氣從旋轉(zhuǎn)輪的下游側(cè)排出；同時(shí)，另一股流量小得多，但溫 度較高的脫附氣沿廢氣相反的方向進(jìn)入濃縮輪的脫附區(qū)，脫附已經(jīng)吸附的有機(jī) 物。濃縮輪以一定的速度緩慢旋轉(zhuǎn)，這樣僅用一臺(tái)設(shè)備即可完成吸附、脫附操作, 并使吸附和脫附同時(shí)進(jìn)行，將大氣量、低濃度的廢氣處理，變成小氣量、高濃度 的廢氣處理，之后再進(jìn)到催化反應(yīng)器燃燒，使設(shè)備費(fèi)用大大降低。原料風(fēng)機(jī)吸附-熱再生-催化燃燒工藝3. 吸附-水蒸汽再生一溶劑回收凈化新工藝如上所述，使用水蒸汽進(jìn)行脫附的方法，是吸附回收溶劑中最常用的一 種方法。在大規(guī)模有機(jī)廢氣的處理技術(shù)中，水蒸汽的用量很大，因此，新的吸附 一水蒸汽再生一溶劑回收

11、凈化工藝提出從脫附后的水蒸汽中回收冷凝熱，如圖3所示，它是利用脫附后的水蒸汽冷凝熱產(chǎn)生壓力低一些的水蒸汽升壓后，再回到脫附操作中使用的方法。使用這種方法，所需水蒸汽的蒸發(fā)潛熱大部分能夠回收， 扣除水蒸汽升壓所需的能量，還能回收很多能量。水蒸汽1-1. -亠 >凈化氣r*1rq1吸附塔原料氣原料風(fēng)機(jī)t吸附塔T、I Jli IJ7L蒸汽風(fēng)機(jī)水 分 離冷卻器回收溶劑再沸器3吸附水蒸汽節(jié)能再生溶劑回收凈化工藝另外，為了抑制脫附時(shí)發(fā)生的酮類(lèi) VOCS廢氣的氧化、分解、聚合反應(yīng)，或 酯類(lèi)VOCs廢氣的水解反應(yīng)等對(duì)溫度依賴(lài)性大的溶劑的反應(yīng)，在減壓下用水蒸汽 在低溫（100 C以下）進(jìn)行脫附的方式，稱(chēng)為

12、吸附一低溫水蒸汽再生一溶劑回收凈 化新工藝（圖4）。該工藝提出水蒸汽再生時(shí)與加壓高溫相反的思想，在脫附過(guò)程 中采用真空泵降低壓力與溫度，這種方式能夠提高活性炭吸附的安全性，同時(shí)提高回收溶劑的質(zhì)量。水蒸汽凈化氣f1 : +圖4 吸附低溫水蒸汽再生-溶劑回收凈化工藝三、吸附劑吸附劑的性能對(duì)混合氣的吸附分離效果起著決定性的作用。吸附法回收 VOCs的關(guān)鍵在于高質(zhì)量吸附劑的篩選開(kāi)發(fā)。吸附劑應(yīng)具備大比表面積、良好吸 附選擇性、易解吸、機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前工業(yè)上常用 的吸附劑有活性炭、活性炭纖維、疏水硅膠、混合吸附劑等，還有一些學(xué)者對(duì)污 泥含炭吸附劑的進(jìn)行研究，以期達(dá)到以廢治廢的目的

13、。1. 活性炭吸附劑活性炭的炭粒中有細(xì)小的孔一一毛細(xì)管。這種毛細(xì)管具有很強(qiáng)的吸附能力， 由于炭粒的表面積很大，所以能與氣體充分接觸，當(dāng)這些氣體進(jìn)入毛細(xì)管就很容 易被吸附，起凈化氣體作用?；钚蕴课蕉酁槲锢砦?，過(guò)程可逆。當(dāng)吸附達(dá)到 飽和后可用熱空氣或水蒸氣脫附，實(shí)現(xiàn)活性炭的循環(huán)使用?；钚蕴课絼┦悄壳?使用最廣泛的一種吸附劑。2. 活性炭纖維吸附劑活性炭纖維主要由碳原子組成，經(jīng)炭化后以類(lèi)似石墨微晶片層亂層堆疊的形 式存在?；钚蕴坷w維主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.吸附容量大，比顆?；钚蕴扛邘妆?甚至幾十倍；2.吸附脫附速度快，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)甲苯吸附到 10%時(shí)，ACF勺是 GAC速度的4倍。在脫附時(shí)，

14、用氮?dú)庠?50%進(jìn)行脫附，ACF約3分鐘就可完全 脫附。而GACR有稍微脫附；3.氧化還原及催化特性，活性炭纖維的氧化還原特 性是由其表面一系列電極電位不同的活性基團(tuán)引起的。 體系電位的高低決定了活 性炭纖維是還原劑還是氧化劑；4.對(duì)低濃度吸附質(zhì)吸附能力強(qiáng)，活性炭纖維對(duì)低 濃度吸附質(zhì)吸附能力強(qiáng)。在20%下，對(duì)低濃度苯的仍然具有較好的吸附效果。3. 疏水硅膠硅膠作為一種堅(jiān)硬多孔的固體顆粒，是工業(yè)上常用的一種吸附劑。通常的普 通硅膠價(jià)格便宜，具有較高的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力， 但大多吸水性強(qiáng)。若 通過(guò)在硅膠表面嫁接有機(jī)基團(tuán)以提高其表面疏水性能和對(duì)有機(jī)氣體的吸附選擇 性，并增加對(duì)有機(jī)氣體吸附穩(wěn)定性

15、，將會(huì)在環(huán)境污染治理方面呈現(xiàn)出十分廣闊的 應(yīng)用前景。有實(shí)驗(yàn)證明，硅膠經(jīng)長(zhǎng)鏈硅烷嫁接改性處理后，對(duì)甲苯、水二組分體 系吸附過(guò)程表現(xiàn)出較好的選擇性。4. 混合吸附劑為了得到更好的分離效果，可將不同種類(lèi)、不同結(jié)構(gòu)的吸附劑復(fù)合或混合使 用，如開(kāi)發(fā)出一種上層為活性炭、底層為疏水硅膠的復(fù)合吸附劑。該方法綜合利 用硅膠的不燃燒及活性炭吸附質(zhì)量比高的特點(diǎn)，從工藝上降低了活性炭吸附放熱 的安全問(wèn)題，提高活性炭有效吸附容量?；旌衔絼┛梢园l(fā)揮各個(gè)吸附劑組分的 優(yōu)點(diǎn)而減少其對(duì)吸附的負(fù)面影響，特別是對(duì)于一些因價(jià)格昂貴難以普及的高性能 的吸附劑來(lái)說(shuō)，可以在混合吸附劑中添加少量該種高性能吸附劑，從而使得混合 吸附劑具有高

16、效吸附性能但是價(jià)格相對(duì)較低容易普及。國(guó)產(chǎn)吸附劑由于純度、性 能不如某些單一吸附劑，但是可以采用混合吸附劑的方式提高吸附性能，這樣完全可以將一些價(jià)格昂貴不宜普及的高性能吸附劑取而代之。5. 污泥含炭吸附劑采用ZnCI 2化學(xué)活化法制備污泥含炭吸附劑，制得的吸附劑孔結(jié)構(gòu)以微孔和 中孔為主，比表面積為394.1 m2/g吸附劑中含有豐富的Al、Fe等金屬元素和 CI元素.有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了污泥含炭吸附劑對(duì)苯系有機(jī)物和含汞廢氣的吸附性能分 析。發(fā)現(xiàn)污泥含炭吸附劑對(duì)苯系物的吸附為典型的物理吸附，其對(duì)甲苯的吸附容量隨著甲苯進(jìn)口濃度的增加而增加，其吸附等溫線為優(yōu)惠的平衡曲線。在吸附反 應(yīng)溫度為20r，氣體流量為5

17、00 mL/min（停留時(shí)間為0.424s），甲苯濃度為2700 mg/ m時(shí)，甲苯的飽和吸附容量為150 mg/ g。還有試驗(yàn)結(jié)果表明由于污泥含炭 吸附劑存在有較強(qiáng)烈的化學(xué)吸附作用，使得其對(duì)Hg的吸附效果要好于選定的活性炭，125 r時(shí)其吸附容量為活性炭的1.51倍。針對(duì)不同的VOCs篩選或開(kāi)發(fā)出治理VOCs專(zhuān)用的吸附劑成為今后的研究重點(diǎn)。不同種類(lèi)或同一種類(lèi)不同結(jié)構(gòu)的吸附劑還可以復(fù)合或混合使用，從而起到集成的分離效果，即充分利用各吸附劑的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保證較高的回收率，并降低U 及附劑著火的安全隱患。復(fù)合吸附劑意味著不同吸附劑按不同層次疊放投用?；?合吸附劑意味著將不同吸附劑昆合成一種較均勻的混

18、合體系。前者研究及應(yīng)用 的較多。四、吸附技術(shù)的發(fā)展前景吸附技術(shù)作為一種傳統(tǒng)的有機(jī)廢氣處理技術(shù)在技術(shù)和工藝上已經(jīng)發(fā)展得比 較成熟。目前主要把研究方向放在尋找吸附性能好且價(jià)格低廉的吸附劑上，在工藝上主要是將吸附用于處理工藝的末端進(jìn)行低濃度有機(jī)廢氣的治理。對(duì)于不同質(zhì)量濃度、不同組分的VOCs通過(guò)吸附技術(shù)與其他處理技術(shù)集成工藝的耦合，可 以達(dá)到較高的回收效果。目前，針對(duì)不同的 VOCs專(zhuān)用吸附劑的篩選和開(kāi)發(fā)、 集成工藝及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化成為今后研究的重點(diǎn)。其次，節(jié)能減排、節(jié)能環(huán)保的要求 促進(jìn)了面向低能耗的VOCs治理技術(shù)的研究?？稍偕茉吹睦?，將進(jìn)一步促進(jìn) 投資相對(duì)較高的太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電節(jié)能技術(shù)的廣泛研

19、究和應(yīng)用，最終達(dá)到回收率、設(shè)備投資、運(yùn)行能耗等技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)化。五、結(jié)束語(yǔ)有機(jī)廢氣、微粒(粉塵)、SO、NO并列為四大空氣污染物，其排放量在幾種 空氣污染物中較大。如果廢氣直接排放而不加以回收利用，既極大地浪費(fèi)了資源， 又污染環(huán)境。之前，國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)方面的研究主要側(cè)重于廢水、廢渣的處理， 對(duì)廢氣的污染防治沒(méi)有給予足夠的重視，忽略了其危害的嚴(yán)重性。近來(lái)，國(guó)家在 解決好其他幾種污染物的基礎(chǔ)上， 對(duì)有機(jī)廢氣的治理將是下一個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)。 新型 凈化處理技術(shù)，對(duì)于不同工廠生產(chǎn)工藝、治理資金和承受能力等有著不同的衡量 標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)廢氣的治理，無(wú)論采用那種方法，耗用資金都較大，相對(duì)而言，吸附 濃縮與回收組合法及吸附濃縮與催化燃燒組合法工藝，去除率高、工藝成熟、投資運(yùn)行成本較低，應(yīng)用廣泛，特別是吸附濃縮與溶劑回收工藝具有經(jīng)濟(jì)效益與社 會(huì)效益兼顧的優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)應(yīng)用的主要選擇方向。參考文獻(xiàn)：1 黃維秋，呂愛(ài)華，鐘琨活性炭吸附回收高含量油氣的研究 J 環(huán)境工程學(xué) 報(bào)