活性炭纖維在有機(jī)廢氣治理中的應(yīng)用研究

胡葉葉

（安徽皖欣環(huán)境科技有限公司，安徽 合肥 230601）

我國(guó)常見的大氣污染物目前主要來源于揮發(fā)性有機(jī)氣體，揮發(fā)性氣體對(duì)于環(huán)境和人類生活產(chǎn)生了消極的影響，所以揮發(fā)性氣體的治理和研究是人類可持續(xù)發(fā)展的重要因素。目前各種治理新技術(shù)和新的研究理論已經(jīng)有了較好的發(fā)展，但是創(chuàng)新管理體系及創(chuàng)新性研究仍然需要進(jìn)一步探索和規(guī)劃，從而達(dá)到人與科技進(jìn)步之間的平衡。

1 有機(jī)廢氣的治理現(xiàn)狀及進(jìn)展

從可持續(xù)發(fā)展的角度看，鋼鐵、化工等行業(yè)排放的廢氣若不進(jìn)行二次加工就直接排放，環(huán)保工作將無法有效開展，從而阻礙了可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。因此，有機(jī)廢氣的處理已成為全社會(huì)的熱點(diǎn)話題。

有機(jī)廢氣治理技術(shù)包括吸附法、吸收法和燃燒法。這三種方式雖然在我國(guó)長(zhǎng)期運(yùn)用當(dāng)中已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是由于這三種技術(shù)的局限性較大，治理效果不明顯，往往只適用于揮發(fā)性小的廢氣處理和中高濃度的廢氣治理。因此，需要對(duì)這幾種技術(shù)進(jìn)行綜合探討，同時(shí)還要不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新。目前相關(guān)技術(shù)部門正在吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和方法，并將其轉(zhuǎn)化成具有中國(guó)本土特色的技術(shù)體系，使之能夠更好地發(fā)揮出揮發(fā)性氣體治理的重要作用。在相關(guān)部門和生產(chǎn)單位的實(shí)際治理和研究過程中，為了降低成本、提高生產(chǎn)效率，往往形成各自不同的管理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手段，在管理中使用的技術(shù)多種多樣，難以達(dá)到預(yù)期的管理效果。與此同時(shí)，大部分企業(yè)都是采用了更加經(jīng)濟(jì)的治理技術(shù)，并從源頭對(duì)污染進(jìn)行管理和把控，但是，由于各個(gè)排放量大的行業(yè)尚未在行業(yè)內(nèi)形成一套統(tǒng)一的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理體系，各企業(yè)的相關(guān)部門不能積極對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，因此，造成了有機(jī)廢氣處理進(jìn)展緩慢，甚至出現(xiàn)本末倒置的情況[1]。

2 活性炭纖維的生產(chǎn)與制備

2.1 原料生產(chǎn)

活性炭纖維對(duì)有機(jī)廢氣具有吸附作用，具體原理是氣體里的有機(jī)物能夠被活性炭纖維吸附和截留，從而達(dá)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(chǎn)的壓力。當(dāng)活性炭纖維吸附到達(dá)飽和狀態(tài)以后，仍然可以進(jìn)行脫附再次使用，通過釋放活性炭纖維吸附的有機(jī)化合物，使得活性炭纖維再生。在生產(chǎn)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(jī)物，再利用壓縮空氣對(duì)活性炭纖維進(jìn)行干燥，干燥后的活性炭纖維可以再次使用，且再次使用時(shí)吸附性依然可以達(dá)到初次使用的80%以上。但是，由于技術(shù)水平和其他方面的限制，目前的再次使用次數(shù)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(xù)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(shù)的研究與開發(fā)仍需要相關(guān)人員的持續(xù)努力。

2.2 制備工藝

一般活性炭的生產(chǎn)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(xiàng)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(yīng)池中將惰性氣體加熱，使碳元素形成小分子，從而形成孔結(jié)構(gòu)。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(qiáng)。在表面積大的活性炭纖維中，含有一定的含氧基團(tuán)，容易與所吸附的物質(zhì)接觸，使擴(kuò)散阻力變得更小，吸附能力更強(qiáng)。在吸附氣體時(shí)，只要短短的數(shù)十秒就可以完成，在進(jìn)行液體的吸附時(shí)，僅僅耗時(shí)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(xiàn)，對(duì)于氮?dú)溥@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(shí)，往往成本高、投資大、裝置占地面積大。吸附法符合可持續(xù)發(fā)展的要求，能更加有效地處理沸點(diǎn)低的化合物和濃度低的有機(jī)廢氣并進(jìn)行回收，所以在實(shí)踐過程中，對(duì)活性炭纖維的有機(jī)處理具有重要意義。

3 活性炭有機(jī)廢氣治理技術(shù)的具體分類

3.1 活性炭纖維吸收技術(shù)

在活性炭纖維中分布著吸附能力較強(qiáng)的碳原子，可以構(gòu)成比較好的表面固態(tài)薄膜結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮其對(duì)有機(jī)廢氣治理的作用。其優(yōu)點(diǎn)是物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)比較標(biāo)準(zhǔn)、含碳量高、毛孔豐富且表面積比較大，在實(shí)踐中效果良好，值得廣泛應(yīng)用。在新型的技術(shù)和理念下，碳纖維表面有較多的空間，對(duì)于凈化空氣具有明顯的作用，一旦遇到污染物后將自行產(chǎn)生較大的呼吸性間隙，可將廢氣直接吸收，同時(shí)還會(huì)主動(dòng)釋放出碳原子，保證物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)保性。

3.2 催化燃燒技術(shù)

催化燃燒處理技術(shù)簡(jiǎn)稱為AOGC，該技術(shù)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(yīng)用該技術(shù)時(shí)會(huì)有三個(gè)不同的因素影響應(yīng)用效果，為起燃溫度、燃燒進(jìn)行中的溫度及熱回收率。催化燃燒技術(shù)廢氣處理方式的優(yōu)點(diǎn)在于氣體燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明火，安全系數(shù)相對(duì)較高；在燃燒過程中不會(huì)殘留有害氣體，燃料的消耗量較少，氣體所含的有機(jī)物可以與一氧化碳中和，反應(yīng)后產(chǎn)生的NO基本上可以忽略不計(jì)。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(jià)值的廢氣處理當(dāng)中。另外，燃燒法在燃燒過程中不會(huì)產(chǎn)生異味，異味消除效果比較好，并且對(duì)于熱值以及可燃組分的濃度沒有詳細(xì)的限制和制約。

一般情況下我國(guó)的催化燃燒技術(shù)工藝大致可以分為三種：第一種是預(yù)熱式，如圖1所示。這種狀態(tài)下需要在預(yù)熱室進(jìn)行氣體加熱，在熱交換器中通過燃燒和凈化進(jìn)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(shù)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(tài)下的有機(jī)廢氣排出溫度可以達(dá)到300 ℃，因此，其自身就可以實(shí)現(xiàn)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(shù)

常用的有機(jī)廢氣治理技術(shù)還有液體吸收技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)消除氣體污染物的能力會(huì)強(qiáng)一些，而且工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)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(yīng)用原理主要是通過吸收劑與有機(jī)廢氣充分接觸，促使吸收劑充分吸收有機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)，經(jīng)過循環(huán)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(huán)使用，達(dá)到節(jié)約的目的?，F(xiàn)階段在利用液體吸收法對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行處理的過程中會(huì)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(zhì)，例如常應(yīng)用于丙酮、甲醇等吸收劑，適用于溶于水的有機(jī)廢氣吸收。經(jīng)相關(guān)專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，吸收劑大致可以分為三種不同的形式，包括有機(jī)溶劑、表面活性劑以及水，同時(shí)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中也研發(fā)出了創(chuàng)新的環(huán)保吸收劑環(huán)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(shù)

在實(shí)際操作中，微波催化氧化技術(shù)相較于空氣凈化技術(shù)有更多優(yōu)點(diǎn)，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(fèi)，極大地縮短廢氣的吸附時(shí)間和解析時(shí)間，且成本較低，吸附劑可以連續(xù)使用20次以上。微波催化氧化技術(shù)的應(yīng)用主要是基于不同有機(jī)廢氣的組成以及吸附能力的差異，將各種差異性數(shù)據(jù)作為有效的依據(jù)，結(jié)合不斷變化的周期壓力，促使有機(jī)廢氣在高壓過程中被分解凈化。該技術(shù)具有相對(duì)較好的創(chuàng)新技術(shù)特性，其自動(dòng)化應(yīng)用效果得到了廣泛普及。因此，微波催化氧化技術(shù)具有較好的發(fā)展空間，可以根據(jù)企業(yè)自身的發(fā)展對(duì)廢氣進(jìn)行氧化處理，從而可以更好地提高廢氣治理效率并提升經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。此外，微波狀態(tài)下的半導(dǎo)體材料往往會(huì)存在著一定的自由基活性物質(zhì)，此時(shí)應(yīng)用微波催化氧化技術(shù)，當(dāng)處于常溫環(huán)境當(dāng)中時(shí)能夠避免有機(jī)廢氣處理過程產(chǎn)生毒氣，具有較好的綜合處理效果。

4 活性炭纖維在有機(jī)廢氣治理中的應(yīng)用

4.1 活性炭粘膠纖維在ACF汽車尾氣治理中的應(yīng)用

汽車尾氣作為現(xiàn)階段我國(guó)有機(jī)廢氣中實(shí)際排放量相對(duì)較多的廢氣種類，我國(guó)制定了嚴(yán)格的處理控制制度，在相關(guān)制度當(dāng)中更是對(duì)汽車尾氣排放的有害物質(zhì)濃度制定了嚴(yán)格的指標(biāo)。因此對(duì)汽車尾氣進(jìn)行有效治理，減少汽車尾氣的排放成為現(xiàn)階段有機(jī)廢氣治理中的關(guān)鍵任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)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(duì)汽車尾氣進(jìn)行吸附處理，并將吸附完成后的尾氣應(yīng)用氣相色譜儀進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)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(shù)明顯降低，并且ACF的空速相對(duì)較大，具有較強(qiáng)的吸附作用，應(yīng)用活性炭粘膠纖維ACF對(duì)汽車尾氣進(jìn)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(yīng)用

香煙中的焦油經(jīng)過燃燒后釋放出的甲醛以及丙烯醛等物質(zhì)屬于高沸點(diǎn)有毒物質(zhì)，這種物質(zhì)經(jīng)過大量排放，會(huì)造成嚴(yán)重的有機(jī)廢氣囤積現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)整體大氣環(huán)境造成影響。經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，在吸煙過程中，吸燃的煙絲部分會(huì)產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)，被吸煙者吸入到身體后會(huì)造成嚴(yán)重的危害。因此，在煙嘴部分應(yīng)用活性炭纖維，過濾吸煙過程中的有毒物質(zhì)，在保障吸煙者吸入相對(duì)較少的有害氣體的同時(shí)，使排放的廢氣中有毒物質(zhì)的含量也能夠相應(yīng)下降[4]。在香煙過濾嘴當(dāng)中應(yīng)用活性炭纖維，能夠有效改變香煙廢氣中的氧態(tài)成分，進(jìn)而在活性炭纖維的超強(qiáng)吸附作用下將有害物質(zhì)儲(chǔ)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(yīng)用的活性炭纖維的比表面積較為合理，處于適當(dāng)密集的微孔效果，對(duì)焦油以及各種有害物質(zhì)的過濾效果較好。同時(shí)，活性炭纖維能夠適應(yīng)香煙中不同分子的沸點(diǎn)，進(jìn)而形成較好的吸附作用。

4.3 活性炭纖維在醋酸丁酯及環(huán)己酮混合廢氣處理中的應(yīng)用

當(dāng)前，很多企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中會(huì)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(chǎn)印刷，會(huì)有大量的混合廢氣排放，包括醋酸丁酯以及環(huán)己酮混合廢氣。而應(yīng)用活性炭對(duì)該混合廢氣進(jìn)行吸附處理時(shí)，是用四段循環(huán)操作方法，并結(jié)合水蒸氣解析技術(shù)，將生產(chǎn)中的廢氣進(jìn)行集中收集，完成后利用活性炭纖維進(jìn)行凈化，將凈化后的氣體進(jìn)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(jìn)行儲(chǔ)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(jì)算水蒸氣的最終收集容量就可以確定醋酸丁酯以及環(huán)己酮混合廢氣的實(shí)際吸附凈化量。

4.4 活性炭纖維在含烷烴廢氣處理中的應(yīng)用

以活性炭ACF纖維材料為主對(duì)含烷烴廢氣進(jìn)行吸附處理，形成完整的有機(jī)廢氣吸附、回收、凈化流程。結(jié)合最終的吸附結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中，如果含烷烴廢氣量在300 m3/h以內(nèi)，且其中的實(shí)際烷烴含量處于1.34%范圍時(shí)，應(yīng)用活性炭纖維進(jìn)行吸附處理能夠達(dá)到88%以上的烷烴回收效果，以較好的經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)良好的有機(jī)廢氣處理。二氯甲烷廢氣的排放通常情況下是在膠片生產(chǎn)以及印刷制造過程中，應(yīng)用活性炭纖維進(jìn)行吸附處理能夠達(dá)到97%的吸附率，進(jìn)而有效地改善了大氣環(huán)境。

5 結(jié)語

綜上所述，目前我國(guó)對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)廢氣的治理越來越重視，設(shè)備更新和管理理念也越來越傾向于成熟化。但是就大環(huán)境而言，仍然存在一系列的問題和難點(diǎn)，雖然在傳統(tǒng)的理念和技術(shù)上有了極大地進(jìn)步，但相比于發(fā)達(dá)國(guó)家還有不小的差距。在以后的發(fā)展進(jìn)程中，從業(yè)人員還要掌握更多的治理技術(shù)，不斷更新設(shè)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(shí)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展理念。