活性炭吸附有機(jī)廢氣技術(shù)分析

夏蘭生

【摘 要】本文介紹了活性炭及改性品的類型，分析了影響活性炭氣體吸附的因素，介紹了活性炭吸附的預(yù)處理、再生、脫附氣體的后處理方法，列舉了典型的活性炭吸附有機(jī)廢氣流程，并提出了具體的環(huán)保要求。

【關(guān)鍵詞】活性炭；脫附；技術(shù)

中圖分類號(hào)： X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）17-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.008

0 前言

活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，具有多孔結(jié)構(gòu)、吸附容量大、速度快，可以有選擇的吸附氣相中的物質(zhì)，而且吸附飽和后還可以再生利用，因此廣泛應(yīng)用于有機(jī)溶劑的回收、氣體凈化治理等。為了提高其特定的吸附性能，近幾年改性活性炭的發(fā)展迅速。

在溶劑回收及凈化氣體治理中，首先根據(jù)吸附質(zhì)的脫附難易程度判斷采用活性炭吸附處理是否適宜，其次根據(jù)吸附質(zhì)的種類和性質(zhì)選擇適宜的活性炭，此外，還需根據(jù)吸附質(zhì)的濃度、吸附劑再生方式及脫附產(chǎn)物后處理方式確定適合的工藝流程。

為了達(dá)到最佳的吸附效果，在設(shè)計(jì)中還需要考慮影響活性炭吸附效果的因素、吸附設(shè)備的選用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

1 活性炭及改性品

活性炭是許多具有吸附性能的碳基物質(zhì)的總稱?；钚蕴坎粌H含炭，還含少量的氧和氫，例如羰基、羧基、酚類、丙酯類、醌類、醚類等。所有的含碳物質(zhì)如煤、木材、果核、堅(jiān)硬果殼及廢紙漿等經(jīng)過炭化、活化處理后成為活性炭，一般有顆粒狀、粉狀、蜂窩狀及柱狀等；活性炭纖維是一種新型的高性能活性炭吸附材料，是利用超細(xì)纖維制成，其吸附能力比傳統(tǒng)活性炭高1～10倍。

為了提高活性炭特定的吸附性能，近幾年改性活性炭迅速發(fā)展。改性活性炭一般有表面物理結(jié)構(gòu)特性的改性和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的改性。許多研究人員采用各種方法對傳統(tǒng)活性炭的表面物理特性進(jìn)行改性，增加微孔數(shù)量以進(jìn)一步增大其比表面積。如用KOH活化石油焦制備改性活性炭；通過對普通煤質(zhì)活性炭進(jìn)行酸堿改性處理；對活性炭進(jìn)行HNO3氧化處理；用微波處理得到改性活性炭等等。

2 活性炭吸附類型

活性炭的吸附有物理吸附和化學(xué)吸附。

物理吸附是由范德華力產(chǎn)生的，吸附質(zhì)與吸附劑之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸附過程快、可逆且無選擇性，當(dāng)氣體中吸附質(zhì)分壓降低或溫度升高時(shí)吸附質(zhì)很容易脫附，實(shí)現(xiàn)了吸附質(zhì)的回收及吸附劑的再生。

化學(xué)吸附是由于固體表面與吸附氣體分子間的化學(xué)鍵力所引起的，吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)吸附具有選擇性，常常是不可逆的。

吸附過程中，低溫時(shí)主要是物理吸附，較高溫度下往往是化學(xué)吸附，物理吸附常發(fā)生在化學(xué)吸附前，當(dāng)吸附劑具有足夠高的活性時(shí)，才發(fā)生化學(xué)吸附，也可能兩種吸附同時(shí)發(fā)生。

3 影響活性炭吸附氣體的因素

影響氣體吸附的因素有很多，主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 活性炭性質(zhì)

針對小分子有機(jī)物的吸附選擇微孔較多的改性活性炭效果更好，對于單純吸附大分子有機(jī)物選擇傳統(tǒng)活性炭或活性炭纖維更好，對于大小分子混合的有機(jī)物吸附選擇活性炭纖維比較適合。

3.2 吸附質(zhì)性質(zhì)和濃度

吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)和飽和性都對吸附量有影響。當(dāng)采用同一種活性炭作吸附劑時(shí)，對于結(jié)構(gòu)類似的有機(jī)物，分子量越大，沸點(diǎn)越高，則越易被吸附。對結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量相近的有機(jī)物，不飽和性越大越容易被吸附。

吸附質(zhì)在氣相中的濃度越大，則吸附量越大。但同時(shí)所用吸附劑增多，造成再生頻繁。因此對于有機(jī)污染物濃度較高的氣體不易直接采用吸附法處理。

3.3 操作條件

低溫有利于物理吸附，而提高溫度有利于化學(xué)吸附?；钚蕴坑行綔囟?～50℃?！段椒üI(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)吸附塔的氣體溫度宜小于40℃。

氣流速率要保持適中。若速率過大，不僅增大了壓力損失，還會(huì)縮短氣體與吸附劑接觸時(shí)間，降低了吸附效率。若流速過低，會(huì)使設(shè)備增大，增加了投資。

據(jù)相關(guān)資料采用顆粒狀吸附劑時(shí)，氣體流速宜低于0.60m/s；采用纖維狀吸附劑時(shí)，氣體流速宜低于0.15m/s；采用蜂窩狀吸附劑時(shí)，氣體流速宜低于1.20m/s。吸附操作時(shí)，應(yīng)保證吸附質(zhì)與吸附劑有一定的接觸時(shí)間。

3.4 吸附器設(shè)計(jì)

為了達(dá)到最佳的吸附效果，對吸附器的設(shè)計(jì)選擇要滿足以下要求：要有足夠的氣體流通面積和停留時(shí)間；要保證氣流分布均勻，使所有的通氣斷面能得到充分利用；能有效的控制和調(diào)節(jié)操作溫度；吸附劑要易于更換。

3.5 吸附劑的再生

吸附劑的再生也影響氣體吸附過程。吸附質(zhì)脫附的不徹底殘留在吸附劑上，會(huì)影響下一步吸附操作。下表列出活性炭上易于再生和難以再生的物質(zhì)。

表1 活性炭上易于再生和難以再生的物質(zhì)

3.6 吸附劑浸漬

吸附劑浸漬的方法是預(yù)先將吸附劑在某些特定溶液中浸漬，再把吸附了特定物質(zhì)的吸附劑進(jìn)行干燥。用干燥后的吸附劑吸附氣態(tài)污染物，使吸附質(zhì)與吸附劑表面上的特定物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

3.7 吸附劑劣化

由于吸附劑的每一次再生吸附都會(huì)有些許殘留，通過不斷的累積會(huì)造成吸附容量的不斷下降，這種現(xiàn)象稱為吸附劑的劣化現(xiàn)象。當(dāng)吸附劑的劣化程度超過設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)考慮更換部分或全部吸附劑。

活性炭的使用周期一般1～2年，所有1～2年需對吸附劑進(jìn)行清理，除去炭粉，補(bǔ)充新的活性炭，必要時(shí)全部更換。

4 活性炭吸附法的預(yù)處理

當(dāng)有機(jī)廢氣中含有粉塵、水蒸氣時(shí)需要設(shè)預(yù)處理設(shè)施，以除去這些物質(zhì)。

當(dāng)廢氣中顆粒物含量大于1mg/m3時(shí)，應(yīng)先采用過濾、冷凝、洗滌等方式進(jìn)行預(yù)處理；當(dāng)廢氣中含有難以脫附物質(zhì)或會(huì)造成吸附劑中毒成分時(shí)，應(yīng)采用洗滌、預(yù)吸附等方式進(jìn)行預(yù)處理；當(dāng)有機(jī)廢氣濃度較高時(shí)在預(yù)處理中常設(shè)冷凝設(shè)施，以預(yù)先除去沸點(diǎn)高、濃度高的成分；對于廢氣中含易燃易爆成分時(shí)，要對廢氣進(jìn)行冷凝或稀釋處理，以使危險(xiǎn)物質(zhì)的濃度在其爆炸下限的40%以下。

5 活性炭再生

當(dāng)吸附劑達(dá)到飽和時(shí)需進(jìn)行再生操作，常用的再生方法有升溫再生、降壓再生、吹掃再生、置換再生和化學(xué)轉(zhuǎn)化再生。

活性炭吸附有機(jī)氣體常利用高溫水蒸汽、熱氣流吹掃或降壓等方法脫附再生。易溶于水的有機(jī)物不宜采用水蒸氣脫附，因?yàn)楹罄m(xù)需采用蒸餾等方法將有機(jī)物分離出來，比較麻煩，因此需考慮其他的脫附方法如熱空氣吹掃等。

當(dāng)采用熱氣流再生時(shí)，熱氣流溫度應(yīng)低于120℃。含有酮類等易燃?xì)怏w時(shí)，不得采用熱空氣再生。

6 脫附氣體后處理

脫附出來的氣體需進(jìn)行后處理。應(yīng)根據(jù)廢氣中有機(jī)物的組份、回收價(jià)值和處理成本等選擇后處理方法，常采用冷凝回收、液體吸收、催化燃燒或高溫焚燒等方法。

采用液體吸收、催化燃燒或高溫焚燒等方法處理脫附氣體時(shí)，尾氣應(yīng)達(dá)標(biāo)排放。

7 活性炭吸附流程

活性炭吸附流程由預(yù)處理、吸附、再生、后處理四個(gè)工序組成?；钚蕴课絻艋袡C(jī)廢氣大多采用固定床吸附設(shè)施，可采用單床、雙床、三床制，一般還應(yīng)設(shè)事故床。當(dāng)不考慮吸附劑的再生時(shí)采用單床制。

根據(jù)吸附劑再生方式、脫附氣體后處理方式的不同，可選用以下幾個(gè)典型工藝。

當(dāng)廢氣中的有機(jī)物具有回收價(jià)值時(shí)，脫附氣體的后處理工序可采用冷凝或液體吸收工藝對有機(jī)物進(jìn)行回收，液體吸收工藝還需考慮對吸收液的處理；當(dāng)廢氣中有機(jī)物不宜回收時(shí)，宜采用熱氣流再生-催化燃燒或高溫焚燒工藝。

8 環(huán)保要求

活性炭吸附廢氣處理過程中難免會(huì)產(chǎn)生一些廢水和固廢，應(yīng)做到妥善處置防治造成二次污染。對于預(yù)處理和后處理產(chǎn)生的廢水、廢液應(yīng)進(jìn)行合理處理，并需達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)；吸附裝置尾氣中各污染物也應(yīng)達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。

到使用壽命的活性炭需按照危險(xiǎn)廢物進(jìn)行無害化處置。

9 小結(jié)

（1）針對小分子有機(jī)物的吸附選擇微孔較多的改性活性炭效果更好，對于單純吸附大分子有機(jī)物選擇傳統(tǒng)活性炭或活性炭纖維更好，對于大小分子混合的有機(jī)物吸附選擇活性炭纖維比較適合。

（2）活性炭能吸附大部分有機(jī)物。氧化改性的活性炭對極性有機(jī)分子的吸附能力明顯加強(qiáng)；還原改性的活性炭對非極性有機(jī)分子的吸附能力明顯加強(qiáng)。

（3）吸附操作溫度、壓力、氣體流速、接觸時(shí)間對吸附效果均有較大影響。

（4）由于浸漬物與吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以在考慮回收吸附質(zhì)時(shí)不宜采用浸漬吸附劑。

（5）當(dāng)有機(jī)廢氣中含有粉塵、水蒸氣時(shí)，要進(jìn)行預(yù)處理。采用水蒸氣脫附時(shí)應(yīng)考慮吸附質(zhì)的水溶性；易溶于水的有機(jī)物不宜采用水蒸氣脫附應(yīng)考慮采用熱空氣吹掃等。

（6）對脫附氣體，應(yīng)根據(jù)廢氣中有機(jī)物的組份、回收價(jià)值和處理成本等選擇后處理方法，如冷凝回收、液體吸收、催化燃燒或高溫焚燒等方法。

（7）吸附過程中產(chǎn)生的廢水和固廢，應(yīng)做到妥善處置防治造成二次污染。

【參考文獻(xiàn)】

[1]熊振湖，費(fèi)學(xué)寧，池勇志，等.大氣污染防治技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：268-269.

[2]駱紅超，宋磊，吳雨琛.還原和氧化改性活性炭對亞甲基藍(lán)吸附性能的影響[J].化工新型材料，2013（1）：76-79.

[3]張永偉，藤厚開，顧錫慧.改性顆?；钚蕴课降蜐舛燃兹┑脑囼?yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2012（9）：20-23.

[4]王強(qiáng)，李力，田華，等.反相氣相色譜法研究改性活性炭對甲烷吸附熱的影響[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2011（4）：110-114.

[5]HG2026-2013，《吸附法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》[S].