“活性炭吸附+催化燃燒”工藝在VOCs治理中的聯(lián)合應(yīng)用研究

＊黃 玲

（福州市連江環(huán)境監(jiān)測(cè)站 福建 350500）

活性炭吸附作為一種常見(jiàn)的VOCs控制技術(shù)，以其高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注?；钚蕴磕軌蛲ㄟ^(guò)物理吸附將VOCs捕獲并固定在其表面，從而有效地降低其在大氣中的濃度。然而，僅僅依靠活性炭吸附還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)VOCs的完全降解，因此需要進(jìn)一步的處理手段。催化燃燒技術(shù)作為一種強(qiáng)有力的VOCs降解方法，通過(guò)在高溫條件下引入催化劑，將VOCs轉(zhuǎn)化為無(wú)害的水和二氧化碳。本研究將探索“活性炭吸附+催化燃燒”工藝的聯(lián)合應(yīng)用，旨在充分利用活性炭吸附對(duì)VOCs的富集和催化燃燒對(duì)其降解的優(yōu)勢(shì)，從而提高治理效率。

1.VOCs對(duì)環(huán)境和健康的影響

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是指在常溫下易于揮發(fā)和擴(kuò)散的有機(jī)化合物，廣泛存在于各種源頭并流入自然環(huán)境。這些VOCs主要包括甲醛、苯、乙烯、甲苯以及丙烯等化學(xué)物質(zhì)。鑒于VOCs對(duì)環(huán)境和健康的潛在且深遠(yuǎn)的影響，對(duì)其進(jìn)行深入探討具有重要意義。

（1）VOCs對(duì)環(huán)境的影響。VOCs對(duì)大氣層和地表環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響，主要涉及臭氧層破壞機(jī)制。在大氣層中，VOCs與氮氧化物（NOx）結(jié)合，共同參與光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，最終形成地面臭氧及其他不利于環(huán)境和人體健康的化合物。這種由VOCs和NOx共同引發(fā)的地面臭氧，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育及其生產(chǎn)能力產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)人類(lèi)和其他動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)構(gòu)成威脅。此外，VOCs是光化學(xué)煙霧的重要組成部分，影響空氣質(zhì)量，對(duì)大氣中的微粒物生成和擴(kuò)散具有決定性作用。同時(shí)，VOCs是細(xì)顆粒物（PM2.5）的潛在前驅(qū)物質(zhì)，而PM2.5是導(dǎo)致心血管疾病、呼吸道疾病等健康問(wèn)題的重要因素之一。

在各種地表水體中，VOCs的無(wú)序排放可能導(dǎo)致水質(zhì)污染，如工業(yè)生產(chǎn)排放、污水處理廠(chǎng)廢水和家庭日常清潔用品中的大量VOCs可能流入江河湖海，對(duì)水生動(dòng)植物及整個(gè)生態(tài)平衡造成極大危害。

（2）VOCs對(duì)人體健康的潛在影響分析。揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）可能對(duì)人體健康產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響，特別是對(duì)呼吸系統(tǒng)、皮膚及整體健康狀況的影響。

呼吸系統(tǒng)方面：長(zhǎng)時(shí)間處于高濃度VOCs的暴露環(huán)境中，可能導(dǎo)致咳嗽、喉部疼痛、支氣管炎和呼吸道感染等呼吸系統(tǒng)病癥。尤其是醛類(lèi)VOCs，可能提高哮喘和慢性阻塞性肺部疾?。–OPD）等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率。

皮膚健康層面：暴露于部分種類(lèi)的VOCs中，個(gè)體容易產(chǎn)生皮膚過(guò)敏、過(guò)度敏感乃至接觸性皮炎等健康問(wèn)題。

在全球健康狀況上：長(zhǎng)期接觸高濃度的VOCs會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響，引發(fā)頭暈?zāi)垦?、惡心嘔吐、疲乏無(wú)力等身體不適感。

特別需要關(guān)注的是，兒童、老年人以及免疫力相對(duì)較弱的群體在面對(duì)特定VOCs時(shí)，受到的影響程度更為明顯，可能引發(fā)更加嚴(yán)重的健康危機(jī)。

控制和治理VOCs的排放對(duì)于環(huán)境保護(hù)和空氣質(zhì)量改善非常重要，其中活性炭吸附和催化燃燒是兩種常見(jiàn)的VOCs治理工藝。

2.活性炭吸附+催化燃燒工藝

（1）活性炭吸附原理。活性炭廣泛應(yīng)用于工業(yè)和日常生活中，因發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)和超大比表面積賦予其卓越的吸附性能，尤其在清除揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等污染物方面。其微孔結(jié)構(gòu)形成了巨大的吸附網(wǎng)絡(luò)，有效捕獲微小直徑的VOCs氣體分子。吸附機(jī)理主要依賴(lài)于氣體分子體積大小的選擇性吸附。吸附性能受活性炭特性、比表面積大小、顆粒大小、微孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)等多種因素影響。對(duì)于非極性或極性較弱的物質(zhì)，活性炭表現(xiàn)出卓越的吸附性能。溫度是關(guān)鍵參數(shù)，低溫環(huán)境有助于提高吸附效率，但高溫下可能發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致吸附效率降低[1]。因此，處理VOCs氣體時(shí)，需控制適當(dāng)?shù)臏囟?，高溫環(huán)境下可使用120℃熱空氣解吸。接觸時(shí)間和速率也對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響，長(zhǎng)時(shí)間接觸有利于充分吸附VOCs氣體，緩慢流動(dòng)可確保充分的接觸，提高吸附效率。VOCs氣體多樣性可能削弱活性炭吸附能力，選擇適當(dāng)?shù)臍怏w種類(lèi)至關(guān)重要。前置過(guò)濾裝置可去除VOCs和粉塵，避免微孔堵塞，維持吸附性能。VOCs氣體水分含量是重要因素，水汽填充孔隙會(huì)影響其吸附能力，需要重視水分處理，調(diào)控氣體水分含量。

（2）活性炭脫附原理。活性炭能吸附VOCs氣體，但容量有限，會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。達(dá)到飽和時(shí)，需更換或進(jìn)行脫附處理?；钚蕴课綕饪s及催化燃燒是脫附并催化燃燒VOCs的方法。其流程是：先用活性炭吸附VOCs，然后用熱空氣吹掃碳床，進(jìn)行脫附和催化燃燒。處理后的氣體經(jīng)熱量回收和溫度調(diào)節(jié)，再次進(jìn)行脫附，形成循環(huán)。脫附溫度決定脫附效率，應(yīng)高于VOCs組分的沸點(diǎn)，但溫度過(guò)低會(huì)使VOCs難以脫附，降低吸附性能。選擇脫附溫度時(shí)需考慮催化劑的耐熱性能和熱穩(wěn)定性[2]。

（3）催化燃燒原理。催化燃燒技術(shù)通過(guò)利用低溫環(huán)境及優(yōu)化設(shè)定條件，在200～400℃的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的完全氧化。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需點(diǎn)火且對(duì)低溫條件的要求較低，適用于特定濃度及熱值范圍的可燃組分。然而，由于催化劑成本較高且運(yùn)行費(fèi)用昂貴，其推廣和實(shí)際應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

催化劑是催化燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，能夠提升化學(xué)反應(yīng)速率并準(zhǔn)確引導(dǎo)反應(yīng)過(guò)程。在選擇催化劑時(shí)，需要綜合考慮化學(xué)構(gòu)造、幾何形狀、金屬構(gòu)成和承載物等因素，制造過(guò)程需保持高度嚴(yán)謹(jǐn)。在處理?yè)]發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）廢氣時(shí)，常用貴金屬如鉑、鈀等或氧化鋁載體作為催化劑[3]。

催化燃燒系統(tǒng)主要由廢氣預(yù)處理構(gòu)件、預(yù)熱裝置和催化燃燒設(shè)備等關(guān)鍵部件組成。廢氣預(yù)處理裝置的主要目的是清除廢氣中的雜質(zhì)和顆粒物，防止催化劑床層發(fā)生堵塞或中毒現(xiàn)象。預(yù)熱裝置需要將氣體加熱至點(diǎn)燃溫度，以促進(jìn)催化燃燒過(guò)程的順利進(jìn)行。催化燃燒設(shè)備通常采用固定床催化燃燒器，其設(shè)計(jì)需充分考慮廢氣類(lèi)別、濃度和溫度等要素，以保證催化燃燒過(guò)程的高效執(zhí)行。

（4）活性炭廢氣處理系統(tǒng)的主要處理工序與原理。首先，廢氣通過(guò)捕集裝置，確保進(jìn)入設(shè)備的廢氣中不含大量雜質(zhì)。然后，經(jīng)過(guò)三層干式初效過(guò)濾棉（包括集風(fēng)管內(nèi)VOCs氈和浸膠樹(shù)脂棉、過(guò)濾床袋式過(guò)濾器以及集風(fēng)管內(nèi)頂棚過(guò)濾棉）的過(guò)濾，以確保得到的氣體符合清潔無(wú)害化的要求?；钚蕴炕蛱祭w維將吸附廢氣中的污染物，將其轉(zhuǎn)化為對(duì)人體無(wú)害的氣體。

脫附再生環(huán)節(jié)主要是通過(guò)高溫氣體將活性炭床內(nèi)吸附的VOCs組分脫附出來(lái)，以維持活性炭床的吸附能力。催化燃燒環(huán)節(jié)則是通過(guò)催化劑的作用，降低燃燒溫度，從而降低能耗，提高設(shè)備的運(yùn)行效率[4]。最后，處理后的氣體將接入排放口進(jìn)行排放，以確保排放氣體滿(mǎn)足國(guó)家和地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)。在這一復(fù)雜的處理過(guò)程中，活性炭吸附、脫附VOCs氣體的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是將大風(fēng)量低濃度的廢氣濃縮成小風(fēng)量高濃度的廢氣，從而提高設(shè)備的處理效率。采用催化劑輔助燃燒，有助于降低燃燒溫度，進(jìn)一步降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

3.活性炭吸附+催化燃燒系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)原理。活性炭吸附+催化燃燒系統(tǒng)首先通過(guò)多級(jí)過(guò)濾，采用板框式過(guò)濾器進(jìn)行一級(jí)過(guò)濾，有效去除較大顆粒物和固體雜質(zhì)。然后，袋式過(guò)濾器進(jìn)行二級(jí)過(guò)濾，深度過(guò)濾廢氣中的細(xì)小顆粒物和氣溶膠。最后進(jìn)行三級(jí)過(guò)濾，對(duì)微生物和有害氣體進(jìn)行更精細(xì)的過(guò)濾和凈化。

在完成三級(jí)過(guò)濾后，系統(tǒng)采用活性炭進(jìn)行吸附操作。活性炭具有巨大表面積和微孔結(jié)構(gòu)，在高溫高濕環(huán)境下能夠吸附廢氣中的有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)廢氣凈化。當(dāng)活性炭吸附達(dá)到飽和時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)吹掃干熱空氣的方式進(jìn)行脫附再生，使活性炭恢復(fù)其活性并增強(qiáng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性。在脫附過(guò)程中，廢氣中的有機(jī)物通過(guò)高溫加熱活性炭脫附，使活性炭重復(fù)利用[5]。

脫附后的廢氣進(jìn)入催化法燃燒裝置，結(jié)合干熱空氣和催化劑效果，在高溫環(huán)境中發(fā)生催化氧化燃燒。該步驟徹底分解廢氣中的有機(jī)物，轉(zhuǎn)化為無(wú)害的水和二氧化碳，實(shí)現(xiàn)高效凈化。同時(shí)，催化燃燒裝置產(chǎn)生的熱量用于加熱活性炭吸附系統(tǒng)和預(yù)處理廢氣，提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率。

“活性炭吸附+催化燃燒系統(tǒng)”通過(guò)整合干式過(guò)濾、活性炭吸附和催化燃燒等多個(gè)階段，充分利用各階段的特點(diǎn)，高效處理和凈化含有VOCs廢氣。采用多級(jí)過(guò)濾技術(shù)和活性炭吸附技術(shù)，系統(tǒng)能處理不同濃度和成分的廢氣，有效降低有機(jī)物質(zhì)含量，滿(mǎn)足環(huán)保要求。催化燃燒技術(shù)確保有機(jī)物完全分解，使系統(tǒng)達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）活性炭吸附+催化燃燒系統(tǒng)工藝流程。吸附階段：首先，系統(tǒng)利用干式過(guò)濾器對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)處理，其次將其導(dǎo)入吸附床。廢氣中的有機(jī)成分會(huì)被活性炭吸附，最后經(jīng)吸附風(fēng)機(jī)處理后通過(guò)煙囪排放。

脫附階段：當(dāng)吸附床接近飽和狀態(tài)時(shí)，活性炭需要再生。通過(guò)干熱空氣脫附，可讓活性炭得到再生并同時(shí)處理吸附床上的廢氣。再生后的廢氣濃度會(huì)增加至5～8倍，隨后送至催化燃燒裝置進(jìn)行處理。整個(gè)過(guò)程旨在確保系統(tǒng)高效吸附和再生，處理活性炭得當(dāng)[6]。

催化燃燒階段：揮發(fā)性有機(jī)廢氣以80～100℃的溫度進(jìn)入催化燃燒階段。首先，通過(guò)氣-氣換熱器將其預(yù)加熱至180～200℃，然后進(jìn)行電加熱至240～280℃。在催化劑層中進(jìn)行催化氧化燃燒，生成水和二氧化碳。為了維持溫度在300℃左右，會(huì)將其預(yù)冷卻至120～140℃。脫附風(fēng)機(jī)將廢氣送回吸附床，實(shí)現(xiàn)催化床的循環(huán)利用。催化床需要廢氣濃度大于2000mg/m3才能自燃，燃燒產(chǎn)生的大部分尾氣送回吸附床，小部分尾氣通過(guò)煙囪外排。

循環(huán)階段：為了提高穩(wěn)定性和連續(xù)性，系統(tǒng)配置了A、B、C、D四個(gè)吸附床，每個(gè)床交替進(jìn)行吸附和脫附運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了床之間的自動(dòng)循環(huán)，確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。

4.結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)活性炭吸附、脫附和催化燃燒原理的詳細(xì)探討，建立了綜合的廢氣處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)多級(jí)過(guò)濾和活性炭吸附操作，將VOCs從大風(fēng)量低濃度的廢氣中濃縮成小風(fēng)量高濃度的廢氣，從而提高了廢氣處理的效率。

系統(tǒng)通過(guò)采用板框式過(guò)濾器、袋式過(guò)濾器和三級(jí)過(guò)濾等多級(jí)過(guò)濾技術(shù)，有效去除了廢氣中的顆粒物和氣溶膠，確保了進(jìn)入活性炭吸附階段的廢氣的清潔度?；钚蕴课诫A段利用活性炭的超大比表面積和微孔結(jié)構(gòu)，在高溫高濕環(huán)境下吸附廢氣中的有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)了廢氣的凈化。而在活性炭達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，通過(guò)吹掃干熱空氣的方式進(jìn)行脫附再生，維持了系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行和活性炭的再利用。

引入催化燃燒技術(shù)，通過(guò)催化劑的作用降低燃燒溫度，提高了系統(tǒng)的能源利用效率。催化燃燒階段徹底分解了廢氣中的有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的水和二氧化碳，確保了排放氣體符合嚴(yán)格的國(guó)家和地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)。催化燃燒產(chǎn)生的熱量還被有效利用于加熱活性炭吸附系統(tǒng)和預(yù)處理廢氣，實(shí)現(xiàn)了能源的再循環(huán)利用。