活性炭纖維在有機廢氣治理中的應用研究

胡葉葉

（安徽皖欣環境科技有限公司，安徽 合肥 230601）

我國常見的大氣污染物目前主要來源于揮發性有機氣體，揮發性氣體對于環境和人類生活產生了消極的影響，所以揮發性氣體的治理和研究是人類可持續發展的重要因素。目前各種治理新技術和新的研究理論已經有了較好的發展，但是創新管理體系及創新性研究仍然需要進一步探索和規劃，從而達到人與科技進步之間的平衡。

1 有機廢氣的治理現狀及進展

從可持續發展的角度看，鋼鐵、化工等行業排放的廢氣若不進行二次加工就直接排放，環保工作將無法有效開展，從而阻礙了可持續發展的目標。因此，有機廢氣的處理已成為全社會的熱點話題。

有機廢氣治理技術包括吸附法、吸收法和燃燒法。這三種方式雖然在我國長期運用當中已經占據了主導地位，但是由于這三種技術的局限性較大，治理效果不明顯，往往只適用于揮發性小的廢氣處理和中高濃度的廢氣治理。因此，需要對這幾種技術進行綜合探討，同時還要不斷加強技術創新。目前相關技術部門正在吸收國外的先進技術和方法，并將其轉化成具有中國本土特色的技術體系，使之能夠更好地發揮出揮發性氣體治理的重要作用。在相關部門和生產單位的實際治理和研究過程中，為了降低成本、提高生產效率，往往形成各自不同的管理標準和技術手段，在管理中使用的技術多種多樣，難以達到預期的管理效果。與此同時，大部分企業都是采用了更加經濟的治理技術，并從源頭對污染進行管理和把控，但是，由于各個排放量大的行業尚未在行業內形成一套統一的生產技術標準和管理體系，各企業的相關部門不能積極對不同設備進行改造升級，因此，造成了有機廢氣處理進展緩慢，甚至出現本末倒置的情況[1]。

2 活性炭纖維的生產與制備

2.1 原料生產

活性炭纖維對有機廢氣具有吸附作用，具體原理是氣體里的有機物能夠被活性炭纖維吸附和截留，從而達到凈化的效果。除此之外，活性炭纖維良好的再使用率也減輕了原料生產的壓力。當活性炭纖維吸附到達飽和狀態以后，仍然可以進行脫附再次使用，通過釋放活性炭纖維吸附的有機化合物，使得活性炭纖維再生。在生產過程中脫附的辦法有很多種，一般采用熱脫附工藝。首先利用熱蒸汽帶走有機物，再利用壓縮空氣對活性炭纖維進行干燥，干燥后的活性炭纖維可以再次使用，且再次使用時吸附性依然可以達到初次使用的80%以上。但是，由于技術水平和其他方面的限制，目前的再次使用次數不足，截止到目前，還沒有哪種方式可以保持活性炭良好的再生能力，大部分活性炭纖維的脫附再生僅僅可以維持2到4次，后續的吸附能力與前幾次相比明顯不足。因此，活性炭解吸再生技術的研究與開發仍需要相關人員的持續努力。

2.2 制備工藝

一般活性炭的生產制作工藝有四種：浸漬、氧化、活化、碳化。其中最重要的工藝是活化工藝，這項工藝將直接影響活性炭的表面積和孔徑分布的大小，通過浸漬和混合將其活化，在反應池中將惰性氣體加熱，使碳元素形成小分子，從而形成孔結構。在這種吸附過程中，由于活性炭纖維的微孔含量十分充足，且孔徑很窄，由于其表面具有豐富的微孔，所以吸附和脫附的能力都比較強。在表面積大的活性炭纖維中，含有一定的含氧基團，容易與所吸附的物質接觸，使擴散阻力變得更小，吸附能力更強。在吸附氣體時，只要短短的數十秒就可以完成，在進行液體的吸附時，僅僅耗時幾分鐘到幾十分鐘就可以完成，所以活性炭纖維的吸附能力在廢氣吸附中得到了充分體現，對于氮氫這類濃度低不宜收集處理的氣體具有很好的吸附作用。在處理濃度低、高流量的氣體時，往往成本高、投資大、裝置占地面積大。吸附法符合可持續發展的要求，能更加有效地處理沸點低的化合物和濃度低的有機廢氣并進行回收，所以在實踐過程中，對活性炭纖維的有機處理具有重要意義。

3 活性炭有機廢氣治理技術的具體分類

3.1 活性炭纖維吸收技術

在活性炭纖維中分布著吸附能力較強的碳原子，可以構成比較好的表面固態薄膜結構，能夠充分發揮其對有機廢氣治理的作用。其優點是物理和化學結構比較標準、含碳量高、毛孔豐富且表面積比較大，在實踐中效果良好，值得廣泛應用。在新型的技術和理念下，碳纖維表面有較多的空間，對于凈化空氣具有明顯的作用，一旦遇到污染物后將自行產生較大的呼吸性間隙，可將廢氣直接吸收，同時還會主動釋放出碳原子，保證物理反應和化學反應的標準化和合理化，且活性炭的凈化性和再生功能相比于其他材料更具有環保性。

3.2 催化燃燒技術

催化燃燒處理技術簡稱為AOGC，該技術是在溫度低的情況下，利用催化劑氧化分解廢氣中的可燃組分，應用該技術時會有三個不同的因素影響應用效果，為起燃溫度、燃燒進行中的溫度及熱回收率。催化燃燒技術廢氣處理方式的優點在于氣體燃燒時不會產生明火，安全系數相對較高；在燃燒過程中不會殘留有害氣體，燃料的消耗量較少，氣體所含的有機物可以與一氧化碳中和，反應后產生的NO基本上可以忽略不計。催化燃燒法能夠有效處理有毒有害等廢氣，可用于沒有回收利用價值的廢氣處理當中。另外，燃燒法在燃燒過程中不會產生異味，異味消除效果比較好，并且對于熱值以及可燃組分的濃度沒有詳細的限制和制約。

一般情況下我國的催化燃燒技術工藝大致可以分為三種：第一種是預熱式，如圖1所示。這種狀態下需要在預熱室進行氣體加熱，在熱交換器中通過燃燒和凈化進行廢氣的熱交換，余熱可以再一次得到回收利用。

圖1 催化燃燒處理技術流程

第二種方式是利用自身的熱平衡，過程如圖2所示。一般狀態下的有機廢氣排出溫度可以達到300 ℃，因此，其自身就可以實現熱平衡。

圖2 自身熱平衡式的催化燃燒過程

第三種方式為吸附-催化燃燒，這種處理方式需要消耗比較多的燃料，適用于溫度低、濃度也比較低的情況[2]。

3.3 液體吸收技術

常用的有機廢氣治理技術還有液體吸收技術，這種技術對消除氣體污染物的能力會強一些，而且工藝流程相對簡單，操作也更加便捷，一般情況下大部分都是物理吸收。液體吸收法的應用原理主要是通過吸收劑與有機廢氣充分接觸，促使吸收劑充分吸收有機廢氣中的有害物質，經過循環吸收，將吸收劑中的廢氣去除，并將剩余的吸收劑提取出來，從而保障吸收劑能夠循環使用，達到節約的目的。現階段在利用液體吸收法對有機廢氣進行處理的過程中會用到淋噴裝置，是基于吸收劑的原理制作而成的，可以保障整體吸收過程能夠高效配和。液體吸收法中常用于物理特性相似的物質，例如常應用于丙酮、甲醇等吸收劑，適用于溶于水的有機廢氣吸收。經相關專家學者研究發現，吸收劑大致可以分為三種不同的形式，包括有機溶劑、表面活性劑以及水，同時在科學技術的發展進程中也研發出了創新的環保吸收劑環糊精，眾多的吸收劑能夠適用于不同種類的廢氣處理。

3.4 微波催化氧化技術

在實際操作中，微波催化氧化技術相較于空氣凈化技術有更多優點，吸附性材料也有特殊的功能，能夠不同程度地降低能源的消耗和浪費，極大地縮短廢氣的吸附時間和解析時間，且成本較低，吸附劑可以連續使用20次以上。微波催化氧化技術的應用主要是基于不同有機廢氣的組成以及吸附能力的差異，將各種差異性數據作為有效的依據，結合不斷變化的周期壓力，促使有機廢氣在高壓過程中被分解凈化。該技術具有相對較好的創新技術特性，其自動化應用效果得到了廣泛普及。因此，微波催化氧化技術具有較好的發展空間，可以根據企業自身的發展對廢氣進行氧化處理，從而可以更好地提高廢氣治理效率并提升經濟價值[3]。此外，微波狀態下的半導體材料往往會存在著一定的自由基活性物質，此時應用微波催化氧化技術，當處于常溫環境當中時能夠避免有機廢氣處理過程產生毒氣，具有較好的綜合處理效果。

4 活性炭纖維在有機廢氣治理中的應用

4.1 活性炭粘膠纖維在ACF汽車尾氣治理中的應用

汽車尾氣作為現階段我國有機廢氣中實際排放量相對較多的廢氣種類，我國制定了嚴格的處理控制制度，在相關制度當中更是對汽車尾氣排放的有害物質濃度制定了嚴格的指標。因此對汽車尾氣進行有效治理，減少汽車尾氣的排放成為現階段有機廢氣治理中的關鍵任務。在實際應用過程中，可以用粘膠劑ACF與GAC作為活性炭纖維中的吸附劑，借助于其中的活性炭床對汽車尾氣進行吸附處理，并將吸附完成后的尾氣應用氣相色譜儀進行研究分析，發現經過吸附劑吸附處理后的尾氣中，苯的濃度相較于吸附前的參數明顯降低，并且ACF的空速相對較大，具有較強的吸附作用，應用活性炭粘膠纖維ACF對汽車尾氣進行處理能夠具有較好的吸附效果。

4.2 活性炭纖維在香煙過濾嘴中的應用

香煙中的焦油經過燃燒后釋放出的甲醛以及丙烯醛等物質屬于高沸點有毒物質，這種物質經過大量排放，會造成嚴重的有機廢氣囤積現象，進而對整體大氣環境造成影響。經過研究分析發現，在吸煙過程中，吸燃的煙絲部分會產生大量的有毒物質，被吸煙者吸入到身體后會造成嚴重的危害。因此，在煙嘴部分應用活性炭纖維，過濾吸煙過程中的有毒物質，在保障吸煙者吸入相對較少的有害氣體的同時，使排放的廢氣中有毒物質的含量也能夠相應下降[4]。在香煙過濾嘴當中應用活性炭纖維，能夠有效改變香煙廢氣中的氧態成分，進而在活性炭纖維的超強吸附作用下將有害物質儲存在煙嘴中，避免流入吸煙者的身體或是空氣中。在過濾嘴中應用的活性炭纖維的比表面積較為合理，處于適當密集的微孔效果，對焦油以及各種有害物質的過濾效果較好。同時，活性炭纖維能夠適應香煙中不同分子的沸點，進而形成較好的吸附作用。

4.3 活性炭纖維在醋酸丁酯及環己酮混合廢氣處理中的應用

當前，很多企業在生產制造過程中會排放大量的廢氣，例如玻璃廠的玻璃纖維墻面裝飾布的生產印刷，會有大量的混合廢氣排放，包括醋酸丁酯以及環己酮混合廢氣。而應用活性炭對該混合廢氣進行吸附處理時，是用四段循環操作方法，并結合水蒸氣解析技術，將生產中的廢氣進行集中收集，完成后利用活性炭纖維進行凈化，將凈化后的氣體進行冷凝，再次加熱后形成水蒸氣，分別將水蒸氣與凈化后的氣體進行儲存與排放，形成與水分離的有效處理，能夠保障更高的凈化治理效果。計算水蒸氣的最終收集容量就可以確定醋酸丁酯以及環己酮混合廢氣的實際吸附凈化量。

4.4 活性炭纖維在含烷烴廢氣處理中的應用

以活性炭ACF纖維材料為主對含烷烴廢氣進行吸附處理，形成完整的有機廢氣吸附、回收、凈化流程。結合最終的吸附結果不難發現，在實際應用過程當中，如果含烷烴廢氣量在300 m3/h以內，且其中的實際烷烴含量處于1.34%范圍時，應用活性炭纖維進行吸附處理能夠達到88%以上的烷烴回收效果，以較好的經濟效益實現良好的有機廢氣處理。二氯甲烷廢氣的排放通常情況下是在膠片生產以及印刷制造過程中，應用活性炭纖維進行吸附處理能夠達到97%的吸附率，進而有效地改善了大氣環境。

5 結語

綜上所述，目前我國對于揮發性有機廢氣的治理越來越重視，設備更新和管理理念也越來越傾向于成熟化。但是就大環境而言，仍然存在一系列的問題和難點，雖然在傳統的理念和技術上有了極大地進步，但相比于發達國家還有不小的差距。在以后的發展進程中，從業人員還要掌握更多的治理技術，不斷更新設備及處理方式，保證處理效果，只有這樣才可以更好地貫徹落實我國的可持續發展理念。