活性焦(炭)吸附法在醫(yī)藥化工廢氣凈化技術(shù)應(yīng)用中的探討

鄒時(shí)宇

（杭州回水科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

醫(yī)藥化工企業(yè)在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和輸送物料、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種廢氣。這些廢氣主要包括無(wú)機(jī)廢氣、有機(jī)廢氣、惡臭氣體和化工綜合廢氣等，其中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和惡臭氣體占總排放量的95%以上[1]。如果上述廢氣未采用科學(xué)合理的工藝進(jìn)行處理就直接排放到大氣中，將會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的環(huán)境污染，也會(huì)嚴(yán)重危害人們的身體健康。因此，選擇合適的廢氣凈化技術(shù)和工藝對(duì)VOCs和惡臭氣體進(jìn)行處理，已成為相關(guān)企業(yè)和社會(huì)廣泛關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。在各種技術(shù)和工藝中，活性焦（炭）吸附法以其簡(jiǎn)單的流程、良好的經(jīng)濟(jì)性以及適用性被廣泛用于處理各種廢氣。

1 醫(yī)藥化工揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和惡臭氣體的概述

一般而言，VOCs是指除CO、CO2、碳酸鹽和金屬碳化物等之外，在常溫環(huán)境中沸點(diǎn)為50～260oC的有機(jī)化合物。按其化學(xué)結(jié)構(gòu)分類主要包括芳烴類、醇類、醚類、醛類、烷類、酯類等。在醫(yī)藥化工行業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中，往往會(huì)排放大量的惡臭性氣體，其產(chǎn)生的主要原因是因?yàn)橹圃旃に囁璧腣OCs溶液未經(jīng)合格處理就擴(kuò)散至空氣中。另外，用于生產(chǎn)無(wú)機(jī)輔料和制藥產(chǎn)生的廢水中含有的氨氣、酸性氣體等也是惡臭性氣體的主要組成部分。

1.1 醫(yī)藥化工揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和惡臭氣體的排放來(lái)源及組成

目前，在我國(guó)醫(yī)藥化工行業(yè)中，VOCs有機(jī)廢氣和惡臭氣體的主要來(lái)源包括以下方面[2]：

（1）在醫(yī)藥原材料的加工和生產(chǎn)過(guò)程中，其使用的有機(jī)溶液會(huì)揮發(fā)至大氣中；

（2）在醫(yī)藥生產(chǎn)階段，由于粉碎工藝而導(dǎo)致的細(xì)小藥物粉塵也揮發(fā)至大氣中；

（3）各生產(chǎn)車間在醫(yī)藥的生產(chǎn)過(guò)程中以及其他公用工程排放的無(wú)序廢氣。

因此，醫(yī)藥化工行業(yè)中排放的VOCs和惡臭氣體主要包括苯系物、有機(jī)胺、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、丁酮、乙醚、二氯乙烷、醋酸、氯仿等。

1.2 醫(yī)藥化工行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和惡臭氣體對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害

1.2.1 VOCs對(duì)環(huán)境的影響

截至目前，學(xué)術(shù)界和工程界普遍認(rèn)為VOCs有機(jī)廢氣對(duì)環(huán)境的影響主要是降低空氣能見(jiàn)度、改變氣候以及破壞臭氧層等。首先，VOCs在大氣中會(huì)因?yàn)楣饣瘜W(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生煙霧，并與部分未發(fā)生反應(yīng)的VOCs共同形成霧霾，使空氣的能見(jiàn)度降低；其次，VOCs在大氣中還會(huì)與相應(yīng)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成酸性物質(zhì)，造成酸雨現(xiàn)象，且進(jìn)一步與大氣中的NH4+離子形成硝酸或硫酸銨晶體，提高了大氣層的反射率，導(dǎo)致大氣環(huán)境的溫度變低；最后，VOCs中的氟氯烴和氟烴等物質(zhì)會(huì)在平流層與太陽(yáng)輻射高能光子發(fā)生物理反應(yīng)而產(chǎn)生游離氯原子，以此對(duì)臭氧層產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

1.2.2 VOCs對(duì)生物的影響

經(jīng)大量研究表明，VOCs可對(duì)生物產(chǎn)生明顯的危害。首先，當(dāng)VOCs發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)增加空氣中的臭氧濃度，從而刺激生物的呼吸系統(tǒng)、破壞生物皮膚、影響生物的中樞神經(jīng)和免疫系統(tǒng)；其次，VOCs中的氟利昂等物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致臭氧層稀薄，使生物受到的紫外線輻射增加；最后，VOCs中的苯和甲醛等物質(zhì)因其具有強(qiáng)烈的毒性和惡臭氣味，對(duì)生物的呼吸道系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激，且具有一定的致癌性。

2 活性焦（炭）吸附法技術(shù)原理

活性炭屬于一種無(wú)定型炭，其主要是由植物、礦物和含碳廢料通過(guò)一定工藝（如破碎、篩選和活化等）加工制造形成的一種多孔隙微觀結(jié)構(gòu)、高比表面積和強(qiáng)吸附力的工業(yè)吸附材料。而活性焦是利用褐煤為原料生產(chǎn)的具有大量功能基團(tuán)的中孔豐富的碳吸附材料，其具有高度發(fā)達(dá)的孔隙構(gòu)造?；钚越沟亩嗫捉Y(jié)構(gòu)為本身提供了大量表面積，使其與氣體（雜質(zhì)）充分接觸，從而賦予了活性炭特有的吸附性能。以上這兩種材料均被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢氣凈化中。

2.1 活性焦（炭）吸附原理

活性焦（炭）對(duì)VOCs和惡臭氣體的吸附原理主要是依靠不同分子的濃度不同，而在界面發(fā)生的導(dǎo)向性移動(dòng)作用。活性焦（炭）的表面存有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的碳分子集，較大的表面積與孔壁分子可形成一個(gè)具有高壓環(huán)境的分子吸附場(chǎng)。另外，在活性焦（炭）的微觀結(jié)構(gòu)中，由于其具有較為發(fā)達(dá)的微孔隙結(jié)構(gòu)，從而在范德華力的作用下能使不同的吸附場(chǎng)產(chǎn)生升疊加效應(yīng)，進(jìn)一步提高了吸附能力。而針對(duì)活性焦（炭）對(duì)VOCs和惡臭氣體的吸附過(guò)程，一般情況下是：首先，吸附對(duì)象（液化廢氣）是以流體的形式與活性焦（炭）的表面開(kāi)始接觸（膜擴(kuò)散）；其次，與表面接觸的吸附對(duì)象進(jìn)入到活性焦（炭）表面的微孔隙之中（表面擴(kuò)散）；隨后，吸附對(duì)象經(jīng)表面微孔隙進(jìn)入到活性焦（炭）的內(nèi)部微孔洞之中（孔擴(kuò)散）；最后，吸附對(duì)象在活性焦（炭）的微觀結(jié)構(gòu)中以穩(wěn)定狀態(tài)填滿其內(nèi)部的微孔洞，以此完成吸附過(guò)程（吸附）[3]。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 活性焦（炭）的吸附流程

在實(shí)際應(yīng)用中，活性焦（炭）對(duì)VOCs和惡臭氣體的吸附可以分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要是應(yīng)用在較低溫度時(shí)，由范德華力產(chǎn)生作用，該方法具有定向性和可逆性的特點(diǎn)；而化學(xué)吸附主要是應(yīng)用在較高溫度時(shí)，由活性焦（炭）表面與吸附對(duì)象之間的分子化學(xué)鍵產(chǎn)生作用，該方法具有選擇性和不可逆性的特點(diǎn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，活性焦（炭）的吸附能力與壓力、VOCs和惡臭氣體的濃度成正相關(guān)關(guān)系；在溫度為-30～40oC時(shí)，其表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)溫度超過(guò)40oC時(shí)，則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2 活性焦（炭）再生原理和方法

2.2.1 活性焦（炭）的再生原理

活性焦（炭）的再生是指利用一定的技術(shù)和工藝對(duì)處于飽和吸附狀態(tài)而喪失活性的活性焦（炭）進(jìn)行加工，恢復(fù)其吸附能力，以達(dá)到循環(huán)利用的目的。一般情況下，再生活性焦（炭）的技術(shù)要求需要滿足其達(dá)到最初吸附性能的90%以上，強(qiáng)度和韌性損失率不超過(guò)10%。

2.2.2 活性焦（炭）的再生方法

目前，活性焦（炭）的再生主要依靠脫附和吸附質(zhì)分解。

（1）脫附是指改變飽和活性焦（炭）的環(huán)境壓力、溫度和通過(guò)化學(xué)方法對(duì)吸附的物質(zhì)進(jìn)行脫離的過(guò)程。改變壓力是指利用活性焦（炭）在低壓中吸附能力較弱的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行脫附操作；而對(duì)于改變溫度而進(jìn)行脫附的方法，一般是采用加熱后的高溫惰性氣體和水蒸氣對(duì)其進(jìn)行脫附；化學(xué)方法脫附主要是利用化學(xué)試劑對(duì)活性焦（炭）所處環(huán)境的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及改變活性焦（炭）與吸附物質(zhì)的親和性進(jìn)而達(dá)到脫附的效果。該方法一般針對(duì)于吸附對(duì)象為高濃度與低沸點(diǎn)的VOCs和惡臭氣體的飽和活性焦（炭）。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法又分為反應(yīng)再生法和溶劑再生法。反應(yīng)再生法主要利用無(wú)機(jī)酸和堿對(duì)活性焦（炭）進(jìn)行脫附，而溶劑再生法主要是利用苯和丙酮等有機(jī)溶液對(duì)吸附物質(zhì)進(jìn)行萃取。

（2）吸附質(zhì)分解主要針對(duì)于吸附某些分子量和沸點(diǎn)較高物質(zhì)的飽和活性焦（炭），而脫附方法無(wú)法使其再生，是利用吸附質(zhì)分解的方法。目前，常用的吸附質(zhì)分解方法主要包括高溫高氧化氣體法、氧化氫和臭氧等高氧化劑法等。

此外，隨著科技的不斷進(jìn)步，一些新型的活性焦（炭）再生方法也逐漸被應(yīng)用到相應(yīng)的凈化項(xiàng)目中，主要包括生物再生法、光催化再生法、電化學(xué)再生法、超臨界流體萃取再生法、微波和超聲波再生法等，在一定程度提高了活性焦（炭）的再生效率以及經(jīng)濟(jì)效率。

3 活性焦（炭）吸附法的工藝流程

目前，針對(duì)不同的VOCs和惡臭氣體，根據(jù)其組分和含量的不同一般采用下面三種活性焦（炭）吸附法的工藝流程[4]。

3.1 循環(huán)塔+UV光解+活性焦（炭）吸附法

該工藝主要應(yīng)用于對(duì)固化爐產(chǎn)生的濃度較低的VOCs和惡臭氣體進(jìn)行凈化處理。具體工藝流程是，首先，VOCs和惡臭氣體由引風(fēng)機(jī)推進(jìn)UV光解凈化器，使其被含有催化劑的高能高臭氧的UV紫外線光束分解（光解）為小分子有機(jī)物，以增加活性焦（炭）內(nèi)部空隙對(duì)VOCs和惡臭氣體的吸附數(shù)量；隨后，經(jīng)過(guò)分解處理的小分子VOCs和惡臭氣體進(jìn)入循環(huán)塔（由旋流板組成）中，使其充分與活性焦（炭）的表面進(jìn)行循環(huán)接觸并完成吸附；最后，將處理后的廢氣排放至大氣中。

3.2 預(yù)處理+活性焦（炭）吸附+脫附冷凝回收法

該工藝的適用性較高，可完成多數(shù)醫(yī)療化工生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的VOCs和惡臭氣體的凈化。具體工藝流程是，首先，VOCs和惡臭氣體通過(guò)引風(fēng)機(jī)的作用進(jìn)入預(yù)處理槽，通過(guò)一系列篩離、溫度和濕度的調(diào)節(jié)工藝使其更容易被活性焦（炭）吸附；其次，VOCs和惡臭氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)的作用被運(yùn)輸至活性焦（炭）吸附機(jī)床和脫附機(jī)床，經(jīng)吸附處理后的廢氣直接排向大氣中，而飽和活性焦（炭）則在脫附機(jī)床中進(jìn)行脫附再生。且在脫附機(jī)床中，再使用惰性氣體對(duì)飽和活性焦（炭）進(jìn)行置換，并應(yīng)用脫附加熱設(shè)施和分流冷凝設(shè)施對(duì)其進(jìn)行熱脫附再生和冷凝回收。

3.3 水噴淋+干式過(guò)濾器+活性焦（炭）吸附+催化燃燒法

該工藝主要是應(yīng)用于具有大量苯類物質(zhì)的VOCs和惡臭氣體的凈化處理。具體工藝流程是，首先，VOCs和惡臭氣體經(jīng)過(guò)水噴淋裝置消除塵霧，并通過(guò)干式過(guò)濾器對(duì)其水分進(jìn)行過(guò)濾；隨后，在完成上述預(yù)處理后，VOCs和惡臭氣體被引風(fēng)機(jī)直接導(dǎo)入活性焦（炭）機(jī)床中行吸附處理，經(jīng)處理后的廢氣直接排向大氣；最后，通過(guò)熱脫附的方法對(duì)飽和活性焦（炭）進(jìn)行脫附，并對(duì)脫附出的VOCs和惡臭氣體運(yùn)送至含有催化劑的焚燒室進(jìn)行燃燒，待燃燒充分完成后，直接排向大氣。在該處理工藝中，活性焦（炭）機(jī)床與上述工藝一樣，可分別設(shè)置吸附機(jī)床和脫附機(jī)床。

4 活性焦（炭）干法在醫(yī)藥化工行業(yè)廢氣處理中的應(yīng)用

本文以浙江朗華制藥有限公司廢氣活性焦吸附深度處理項(xiàng)目中對(duì)活性焦（炭）的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)廢氣進(jìn)氣量為40 000 m3/h，其廢氣類型和來(lái)源主要為蓄熱式氧化爐（RTO）系統(tǒng)初步處理后的車間廢氣。而對(duì)于通過(guò)入口主管道進(jìn)入活性焦吸附系統(tǒng)的廢氣污染物指標(biāo)參數(shù)，其設(shè)定為非甲烷總烴≤120 mg/m3，經(jīng)處理后的廢氣污染物指標(biāo)參數(shù)依據(jù)《制藥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB37823-2019）中的相關(guān)規(guī)定，非甲烷總烴（NMFHC）≤60 mg/m3，臭氣濃度≤800，通過(guò)排氣筒直接排放。其中，非甲烷總烴指除甲烷以外的碳?xì)浠衔铮ㄆ渲兄饕荂2-C8），主要包括烷烴、烯烴、芳香烴和含氧烴等組分，在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)包含非甲烷總烴和其他特征因子，將數(shù)據(jù)上傳到環(huán)保局，非甲烷總烴質(zhì)量濃度被作為廢氣排放點(diǎn)限值、廠界無(wú)組織排放限值和廢氣處理效率的評(píng)判依據(jù)。

該項(xiàng)目是具體采用活性焦吸附廢氣深度處理工藝對(duì)車間廢氣進(jìn)行處理。首先，使用新建噴淋系統(tǒng)對(duì)車間高濃度廢氣進(jìn)行預(yù)處理并運(yùn)送至RTO系統(tǒng)，使其在800～870oC環(huán)境下焚燒生成CO2和H2O；其次，利用噴淋系統(tǒng)對(duì)氣體進(jìn)行處理后，再利用除霧除濕裝置對(duì)其進(jìn)行除霧除濕；最后，使用活性焦吸附系統(tǒng)對(duì)上述處理后的有機(jī)廢氣進(jìn)行深度吸附，以有效去除異味和臭味，再將處理達(dá)標(biāo)后的廢氣通過(guò)25 m的高煙囪排放至大氣，同時(shí)，將吸附飽和后的活性焦運(yùn)往再生中心進(jìn)行再生處理。

在本項(xiàng)目中，VOCs主要是通過(guò)活性焦（炭）吸附進(jìn)行去除，其出口濃度是判斷吸附脫附切換周期的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)檢測(cè)其脫附開(kāi)始前設(shè)備的出口濃度，經(jīng)調(diào)試運(yùn)行確定整套設(shè)備符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了理想的運(yùn)行效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)醫(yī)療行業(yè)的快速發(fā)展，其排放的含有揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和惡臭氣體的廢氣總量也在逐漸增加，這些廢氣對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害，因此，如何對(duì)其進(jìn)行有效的凈化處理，已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要課題。在針對(duì)上述廢氣的凈化處理中，活性焦（炭）吸附技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、凈化效率高和可再生性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果。所以，本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)活性焦（炭）吸附技術(shù)對(duì)醫(yī)療廢氣凈化的原理和工藝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和討論，旨在為推動(dòng)我國(guó)醫(yī)療廢氣凈化事業(yè)發(fā)展作出相應(yīng)貢獻(xiàn)。