作为VOCs治理的主流技术，活性炭吸附技术如何应用？

2022-06-27 14:28:02

众所周知，活性炭吸附技术是VOCs治理的主流技术之一，技术成熟、简单易行、治理成本低、适应范围广，在所有的治理技术中占有非常大的市场份额，在涂装、包装印刷、石油化工、化学品制造、医药化工和异味治理等领域都得到了广泛的应用。

但由于业内人员对活性炭的基本性能、活性炭吸附技术的适用范围和使用条件等缺乏规律性认识，在活性炭选型、工艺设计和净化装备设计中存在较大随意性，造成净化设备效率低，存在安全隐患，活性炭再生更换困难等问题。

市场上很多环保公司对活性炭吸附技术过于低估（简单误认为活性炭吸附技术无非就是简单的吸附—脱附）。

其实对活性炭的偏见还是来自对其作为吸附材料的认知不够全面。

VOCs治理技术，合适的才是最好的，治理工艺的选择需要考虑气源特征（风量、浓度、组分、排放规律）。

下面浅谈常见活性炭装置在VOCs治理技术中的应用。

活性炭的吸附原理

a.吸附现象是发生在两个不同的相界面的现象，吸附过程就是在界面上的扩散过程，是发生在固体表面的吸附，这是由于固体表面存在着剩余的吸引而引起的。

吸附可分为物理吸附和化学吸附；物理吸附亦称范德华吸附，是由于吸附剂与吸附质分子之间的静电力或范德华引力导致物理吸附引起的，当固体和气体之间的分子引力大于气体分子之间的引力时，即使气体的压力低于与操作温度相对应和饱和蒸气压，气体分子也会冷凝在固体表面上，物理吸附是一种吸热过程。

化学吸附亦称活性吸附，是由于吸附剂表面与吸附质分子间的化学反应力导致化学吸附，它涉及分子中化学键的破坏和重新结合，因此，化学吸附过程的吸附热较物理吸附过程大。

在吸附过程中，物理吸附和化学吸附之间没有严格的界限，同一物质在较低温度下往往是化学吸附。

活性炭纤维吸附以物理吸附为主，但由于表面活性剂的存在，也有一定的化学吸附作用。

b.活性炭对废气吸附的特点：

（1）、对于芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附。

（2）、对带有支键的烃类物理优于对直链烃类物质的吸附。

（3）、对有机物中含有无机基团物质的吸附总是低于不含无机基团物质的吸附。

（4）、对分子量大和沸点高的化合物的吸附总是高于分子量小和沸点低的化合物的吸附。

（5）、吸附质浓度越高，吸附量也越高。

（6）、吸附剂内表面积越大。

吸附量越高。

废气成分的影响

1、活性炭的“中毒”（或劣化）

高沸点（或“半挥发性”）物质再生困难，在活性炭上聚集，如硅烷、油脂等化合物，需要通过冷凝、过滤、吸附等预处理首先进行去除；

发生聚合反应，造成在活性炭上聚集，如甲醛、苯乙烯等；

二硫化碳（硫化氢）等吸附反应形成单质硫的聚集。

在吸附气体中即使含有微量的高分子物质或聚合性物质，在活性炭中聚集，也会很快引起活性炭吸附性能急剧下降。

2、活性炭的反应活性（催化性）

活性炭表面具有催化活性，会与一些化合物部分进行氧化、水解等催化反应。

典型反应：

（1）乙酸乙酯、乙酸丙酯等易发生水解反应形成有机酸；

（2）MEK（甲乙酮）、MIBK（甲基异丁基酮）易被氧化形成有机酸和丁二酮；环己酮氧化或聚合形成环亚己基环己酮；

（3）甲醛、苯乙烯等易发生聚合反应；

（4）其他：如树脂生产中的添加剂带入二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺在活性炭上会发生水解生产二甲胺，造成臭气排放问题。

造成的问题：

（1）回收的溶剂变色、发臭（如包装印刷废气）；

（2）聚合后难再生，造成活性炭中毒（劣化）

（3）反应放热，造成活性炭着火。

非再生型活性炭装置

非再生型活性炭装置，采用的是固定床吸附装置，吸附材料采用蜂窝或柱状炭。

应用场景：1.主工艺系统的应急装置，用于紧急停车使用。

2.超低浓度VOCs的治理，目前各地环保政策不一样，单级活性炭治理往往不能满足，需要搭配两级活性炭或与其他治理技术结合。

根据活性炭的动态吸附容量、更换频率和废气排放速率来搭配活性炭填充量，由于活性炭吸附会受到温度和湿度的影响，实际吸附能力往往会大达折扣。

再生型活性炭装置

固定床吸附(蒸汽解析）系统

吸附解析，活性炭循环使用应用场景更加广泛。

活性炭吸附解析的类型有两大类

第一种：变温吸附（TSA）

变温吸附是利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的操作方法。

常见脱附方式有热空气、热氮气以及饱和水蒸气脱附。

其装置类型也有固定床和流化床系统之分。

活性炭催化燃烧组合工艺，采用热空气进行脱附，虽然是最为常见的VOCs治理工艺，其实际效果并不理想。

气源的组分、浓度，安全性、脱附效率等都影响实际效果，在实际工程中很多活性炭催化燃烧改造系统，此处不做赘述。

采用热氮气或饱和水蒸气脱附的往往搭配冷凝系统，来实现对VOCs的回收再利用。

由于水蒸气载热量大，尤其是其潜热；且脱附温度适中，不会破坏有机物，因此水蒸气是最常用的脱附剂。

固定床氮气脱附系统

流化床系统

相比较焚烧法，回收工艺更能体现环境友好，也实现了对资源的回收利用。

据实际工程核算，印刷包装行业回收法，可以实现乙酸乙酯的mg级排放，使得环保设备可以为企业创收。

对于适宜回收的工况，环保装置就不再是企业的负担。

第二种：变压脱附（PSA）

变压吸附，加压吸附，提高吸附容量，减压解析,进行吸附剂再生。

基础原理是利用吸附剂在不同压力条件下对不同物质平衡吸附容量的差异为基础。

总结

活性炭吸附装置在VOCs治理过程的应用广泛。

末端治理中吸附冷凝工艺是一种循环模式，经济有效的解决污染问题。

以上主要是简要介绍活性炭吸附的几种应用。

活性炭吸附材料同样可以用在移动床或流化床上。

固定床的吸附材料也可以使用其他吸附材料进行代替。

能否代替，就是要考虑吸附材料对有机废气的选择吸附性，吸附容量等性能来判断。