揮發(fā)性有機(jī)物治理中活性炭吸附法的應(yīng)用分析

樊文博

(山西省環(huán)境保護(hù)技術(shù)評估中心，山西 太原 030000)

引 言

國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，使得工業(yè)進(jìn)程大幅推進(jìn)，改善了民眾生活質(zhì)量，但同樣也造成了較為惡劣的環(huán)境污染。因此需國家持續(xù)強(qiáng)化對各大污染物的治理效力，以保障公眾生命安全。就揮發(fā)性有機(jī)物而言，其是大氣污染物的一種，所致的環(huán)境污染問題極為嚴(yán)重，一直都是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。而活性炭吸附法則是一項(xiàng)能對揮發(fā)性有機(jī)物有效治理的措施，不但操作過程較為便捷，且治理污染期間能耗較小，具備較強(qiáng)環(huán)保性。因而，將其應(yīng)用到揮發(fā)性有機(jī)物治理中具備重要意義。

1 揮發(fā)性有機(jī)物及治理技術(shù)概述

揮發(fā)性有機(jī)物即位于20 ℃飽和蒸汽壓力在0.13 kPa以上(包含0.13 kPa)的有機(jī)化合物。具體來自石油工業(yè)生產(chǎn)中所排放的廢氣、儲油庫、加油站等行業(yè)有機(jī)溶劑的應(yīng)用。相應(yīng)的數(shù)據(jù)表明，我國揮發(fā)性有機(jī)物排放量年均1 200萬t，其所帶來的經(jīng)濟(jì)損失將近數(shù)十億元。并且大部分揮發(fā)性有機(jī)物具備有毒元素，能夠經(jīng)由人體呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體內(nèi)部，對身體健康構(gòu)成較大威脅。在此形勢下，揮發(fā)性有機(jī)物的治理已然受到了世界各國的重視，且已研制出較多治理手段與方式，活性炭吸附法便是其中之一[1]。

揮發(fā)性有機(jī)物治理需先由生產(chǎn)根源與過程控制入手，選擇清潔生產(chǎn)方式以及揮發(fā)性有機(jī)物含量不多的原材料，開發(fā)設(shè)計(jì)新型替代原料以規(guī)避污染形成。而后，需對揮發(fā)性有機(jī)物末端治理工作予以強(qiáng)化，將存在一定經(jīng)濟(jì)效益的工藝、裝卸廢氣等進(jìn)行回收利用。依據(jù)法律法規(guī)制，將回收利用存在較大困難或無法回收并利用的廢氣予以處理。現(xiàn)階段我國揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)將末端廢氣治理作為核心要點(diǎn)。以往的末端廢氣治理技術(shù)囊括吸收、燃燒、冷凝與吸附法等，而新研發(fā)的技術(shù)囊括生物膜分離法等。一般情況下，工業(yè)生產(chǎn)所排放的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量濃度為100 mg/m3～2 000 mg/m3，此類中低濃度的揮發(fā)性有機(jī)物可選擇吸附吸收法等對有機(jī)溶劑回收，符合標(biāo)準(zhǔn)以后排放。無法回收應(yīng)選擇燃燒、生物法等將其凈化，直至符合標(biāo)準(zhǔn)后排放。

上述提及的吸附法多在治理低濃度揮發(fā)性有機(jī)物時應(yīng)用，對于其余的揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)而言，該方法可以對其它過程無法分開的混合物自行選擇，將低濃度有毒有害元素排除，不但操作便捷且不會帶來二次污染，在治理之后能實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶劑回收、吸附劑多次利用的目標(biāo)。現(xiàn)階段最常見的吸附劑包括活性炭、硅膠等。最近幾年，經(jīng)由活性炭纖維、碳化物衍生碳等對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行治理的方式備受公眾關(guān)注。就活性炭而言，較之其他吸附劑更具優(yōu)勢，比如其孔徑分布較廣，微孔先進(jìn)，吸附效率高，可以對分子大小不一的物質(zhì)予以吸附，在吸附回收苯類、氯仿等揮發(fā)性有機(jī)物時具備較好效果，非極性等特征讓其對非極性物質(zhì)吸附具備可選擇性。同時活性炭原料成本不高，數(shù)量充裕，制備工藝簡潔，因而在對濃度不高、風(fēng)量較大的揮發(fā)性有機(jī)物治理中獲得了廣泛運(yùn)用，特別是經(jīng)由磷酸法制備的木質(zhì)顆粒活性炭，存在吸附容量大、脫附殘余量小、制備工藝經(jīng)濟(jì)環(huán)保等諸多優(yōu)勢，在世界各國的揮發(fā)性有機(jī)物治理中廣泛應(yīng)用。

為改善凈化效率，活性炭吸附法往往會結(jié)合其他治理技術(shù)協(xié)同運(yùn)用，比較多見的方法即吸附濃縮-冷凝回收/催化燃燒法。前者具體經(jīng)由熱氣體把吸附揮發(fā)性有機(jī)物以后的活性炭予以脫附，而后把脫附結(jié)束的高濃度揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)由冷凝裝置回收，此方法多在治理組分單一高濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣中應(yīng)用，在對多組分、低濃度揮發(fā)性有機(jī)物治理時不宜使用；而后者即把熱氣體脫附所得的濃縮揮發(fā)性有機(jī)物送至催化燃燒床予以催化、燃燒。以活性炭為媒介，承載過渡金屬的催化劑，可在溫度不高、含氧量較小的情況下對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行催化燃燒，轉(zhuǎn)化為二氧化碳與水，此方式適用苯類、醛類等氣體濃度含量不高且較為穩(wěn)定的揮發(fā)性有機(jī)物廢氣治理。

2 揮發(fā)性有機(jī)物治理中活性炭吸附法的應(yīng)用

2.1 變壓吸附

變壓吸附主要應(yīng)用于恒溫、無熱源環(huán)境中，對系統(tǒng)壓力進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)，從而讓吸附質(zhì)在各壓力值下吸附與脫附的循環(huán)過程。依據(jù)操作模式的差異，變壓吸附主要劃分成兩大類型。一是通過范德華力間的不同，選擇普通活性炭予以分離的平衡吸附型；二是通過分子吸附速度間的不同，選擇特殊活性炭分子篩予以分離的速度分離型。

吸附一般在常壓條件下實(shí)施，脫附過程即通過縮減操作壓力、抽真空等方式達(dá)成，脫附期間真空度愈大，脫附就愈加容易。但實(shí)踐期間，高真空度對吸附設(shè)施所提要求較高且損耗能源較大，故在對成本、吸附質(zhì)量予以研究后，工業(yè)中通常選擇8 kPa～10 kPa的脫附壓力[2]。

此外，變壓吸附技術(shù)自動化程度較高，能進(jìn)行循環(huán)操作，然而操作時需持續(xù)加壓降壓，對設(shè)備所提要求較高，故在高檔溶劑回收中獲得了廣泛運(yùn)用。

2.2 變溫吸附

變溫吸附主要是對吸附劑平衡吸附量伴同溫度加大且伴同溫度減小的特征進(jìn)行的應(yīng)用，其多在常溫條件下進(jìn)行吸附，于高溫條件下進(jìn)行脫附。活性炭吸附過程可視為吸熱過程，溫度增加后其本身便具備較強(qiáng)脫附力，若經(jīng)由高溫蒸汽予以脫附，通常會把脫附溫度限定為100 ℃～200 ℃。就吸附全過程而言，若吸附物質(zhì)為沸點(diǎn)不高的小分子碳?xì)浠衔铩⒎枷阕寤衔铮敲茨芙?jīng)由水蒸氣直接脫附，而后冷凝回收，若為吸附量不高的苯類等有機(jī)物，經(jīng)由熱空氣予以吹掃脫附，而后予以吸附。

2.3 變溫-變壓吸附

變溫-變壓吸附是對變溫、變壓吸附兩大技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行了融合，以變壓吸附技術(shù)為支撐在變壓脫附以后增加溫度進(jìn)行脫附的新型技術(shù)。通過提升床層溫度與縮減柱壓，更好的進(jìn)行脫附，大幅提升了活性炭的再生效率。相應(yīng)研究表明，在對熱氮?dú)饷摳脚c真空減壓脫附兩大方式的優(yōu)勢進(jìn)行比較，且把兩大技術(shù)合理結(jié)合之后，對CH4Cl2的回收率能達(dá)到80%，而經(jīng)由真空脫附以后，活性炭床溫由之前的90 ℃縮減為60 ℃，并相應(yīng)縮減了后續(xù)循環(huán)的冷卻時間。

2.4 變電吸附

變電吸附是對氣體予以凈化與分離的新興技術(shù)，其根本性質(zhì)即變溫吸附。但其和以往的變溫吸附具有較大差異，變電吸附的脫附過程即經(jīng)由電能對飽和吸附劑進(jìn)行加熱達(dá)成，焦耳效應(yīng)形成的熱量導(dǎo)致吸附質(zhì)排放。該技術(shù)具有加熱系統(tǒng)簡潔，能量可面向吸附劑直接輸送，具備較好加熱效果，可大幅縮減能耗；能對氣體流速與吸附劑升溫速度予以獨(dú)立控制；熱量流、質(zhì)量流方向趨同，使得脫附更具效果；成本不高，選擇變電脫附的成本較之熱蒸汽再生成本可下降50%；具備較強(qiáng)再生性等。

3 結(jié)語

生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化、《環(huán)保法》與相應(yīng)法規(guī)的發(fā)布、社會公眾對大氣污染的大力關(guān)注，促使環(huán)保行業(yè)市場特別是揮發(fā)性有機(jī)物治理市場獲取較好發(fā)展。活性炭吸附法是對揮發(fā)性有機(jī)物治理的最佳方式，日后適用到揮發(fā)性有機(jī)物治理中的活性炭需求量勢必持續(xù)增加，對其品質(zhì)將提出更為嚴(yán)格的要求。因此，需對活性炭吸附法有效利用，依照治理需求選擇相對應(yīng)的吸附方式，以確保揮發(fā)性有機(jī)物治理效果，避免大氣環(huán)境污染惡化，以對公眾人身安全予以保障。