優(yōu)化吸附法處理工業(yè)VOCs廢氣研究

劉本宇,孟凡召

(山東華宇工學(xué)院,山東 德州 253000)

0 引言

空氣污染已成為全球性問(wèn)題,而其中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是影響人類健康、造成大氣污染、引起氣候變化的重要物質(zhì)。在氣壓101.32 kPa下,該有機(jī)化合物的沸點(diǎn)為50 ℃～250 ℃,即揮發(fā)性有機(jī)物。在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的VOCs廢氣,包括化工、涂裝、印刷、紡織印染、電鍍等行業(yè)。

VOCs廢氣會(huì)對(duì)人體健康及自然環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的危害,包括但不限于空氣污染、臭氧層破壞及溫室效應(yīng)等。例如:太陽(yáng)紫外線照射下,VOCs廢氣中含有的烴類化合物及氨氮化物等污染物會(huì)經(jīng)歷一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng),形成毒性較強(qiáng)的光化學(xué)煙霧,這種煙霧不僅含有致癌物質(zhì),還可能對(duì)臭氧層造成破壞,對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生加劇作用[1]。VOCs是一種溫室氣體前體,可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與其他大氣污染物產(chǎn)生臭氧及細(xì)顆粒物,從而對(duì)氣候及空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響?！栋屠鑵f(xié)定》中規(guī)定,應(yīng)將全球平均溫度升幅控制在工業(yè)化前水平的2 ℃以內(nèi),力爭(zhēng)將溫升控制在1.5 ℃以內(nèi),其目標(biāo)旨在限制全球溫室氣體的排放,以應(yīng)對(duì)氣候變化[2]。相關(guān)法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VOCs廢氣的處理與排放日趨嚴(yán)格,以保障公眾健康及環(huán)境安全,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展[3]。可通過(guò)各種防治手段進(jìn)行VOCs的處理,以減少VOCs的排放,其中吸附法是一種操作簡(jiǎn)單且成本低廉的處理方法。VOCs種類繁多,成分復(fù)雜,根據(jù)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的不同可分為烷烴類、烯烴類、芳香烴類、鹵代烴類等20余類[4]。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程具有多樣性、復(fù)雜性,不同行業(yè)的廢氣特點(diǎn)也各不相同,這進(jìn)一步增加了處理VOCs廢氣的難度及復(fù)雜性。利用吸附法處理VOCs廢氣時(shí)需綜合考量各類因素,選取合適的吸附材料,以達(dá)到最佳的吸附效果。

工業(yè)處理VOCs廢氣時(shí),廢氣處理裝置安裝調(diào)試后即可投入使用,吸附劑只是按時(shí)更換或脫附,但因吸附劑使用壽命遞減、吸附環(huán)境及廢氣濃度變化等因素引起的VOCs廢氣處理不達(dá)標(biāo)情況卻得不到及時(shí)處理。本研究以VOCs廢氣處理為研究對(duì)象,對(duì)常見(jiàn)吸附劑進(jìn)行分析與選取,針對(duì)VOCs廢氣一次處理不達(dá)標(biāo)的情況進(jìn)行優(yōu)化吸附設(shè)計(jì)。

1 吸附劑的選取

吸附法是處理VOCs廢氣的一種有效方法,常用的吸附材料包括活性炭、沸石分子篩、金屬有機(jī)骨架等。在選擇吸附材料時(shí),需考慮廢氣中VOCs的種類及濃度、吸附材料的吸附性能、成本及再生性等因素。不同的吸附材料有著不同的吸附特性,需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

1.1 活性炭

活性炭是一種常用的非極性吸附劑[5],具有良好的內(nèi)部孔隙率及較大的比表面積[6],吸附容量大,機(jī)械強(qiáng)度好[5],熱穩(wěn)定性與化學(xué)惰性高,可用于吸附C1～C12的多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物[7],包括醇類、醚類、醛類及烷烴等。在VOCs廢氣吸附中,活性炭作為一種低成本、效率高的吸附劑,得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1.1 吸附揮發(fā)性鹵代烴

鹵代烴具有特殊氣味及一定的毒性,會(huì)傷害人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝腎等臟器,部分鹵代烴還有致癌的危害。潘揚(yáng)昌等[8]開(kāi)展實(shí)驗(yàn),在300 ℃的環(huán)境下將三氯甲烷、四氯化炭、三氯乙烯、四氯乙烯、三溴甲烷分別以流量0.2 L/min的速度通過(guò)兩只活性炭吸附管,結(jié)果如表1所示,平均吸附效率均處于高水平狀態(tài)。

表1 活性炭吸附劑的測(cè)定結(jié)果Tab.1 Results of the determination of activated carbon adsorbent

1.1.2 活性炭吸附烷烴

石油化工是烷烴排放的重點(diǎn)領(lǐng)域,烷烴可在大氣中一定條件下發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng),污染人類生存環(huán)境,影響人體健康。柳龍等[9]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),使用煤質(zhì)顆?；钚蕴考?50 mm厚的炭層,測(cè)試其對(duì)小分子直鏈烷烴的吸附影響。在正戊烷、正己烷氣體濃度均為10 g/m3且氣體流速0.33 m/s的條件下,使用兩層活性炭可滿足更換吸附劑及達(dá)標(biāo)排放的要求。在正庚烷、正辛烷氣體濃度均為10 g/m3且氣體流速0.33 m/s的條件下,可實(shí)現(xiàn)單層活性炭100%吸附操作,但對(duì)于正丁烷來(lái)說(shuō),至少需要三層設(shè)計(jì),方可達(dá)標(biāo)。

1.2 沸石分子篩

沸石分子篩作為一種傳統(tǒng)的吸附劑,具有大比表面積、規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)及可調(diào)的孔尺寸與親疏水性,被廣泛應(yīng)用于VOCs廢氣處理中。與活性炭相比,沸石分子篩具有更高的熱穩(wěn)定性、水熱穩(wěn)定性及不可燃性,能夠有效解決活性炭易燃及再生困難等問(wèn)題。目前,沸石分子篩在VOCs廢氣處理中結(jié)合轉(zhuǎn)輪吸附、蓄熱燃燒及催化燃燒等技術(shù),已取得了顯著的應(yīng)用效果[10]。

沸石分子篩的孔徑大小一般在0.3～1.0 nm,與VOCs分子的直徑尺寸基本匹配,這種孔徑大小的匹配為沸石分子篩的吸附性能提供了優(yōu)越的基礎(chǔ)[11]。沸石分子篩材料是一類由硅氧四面體與鋁氧四面體通過(guò)共用氧原子連接而成的具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的微孔晶體材料[12]。通過(guò)掃描電鏡分析可知,NaY型沸石分子篩具有致密、棱角分明的粒度分布,尺寸均勻,潔凈度及純度高,分散度較好,是一種擁有連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔材料。其比表面積大,微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),對(duì)各種VOCs均具有卓越的吸附性能[13]。趙玥[14]采用常規(guī)浸漬法,以稀鹽酸為改性液,對(duì)13X型沸石進(jìn)行酸改性,并在甲苯濃度為500 ppm、進(jìn)氣流量為1.0 m3/h、填料厚度為90 mm、超重力因子為1.74的條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)酸改性的13X型吸附劑對(duì)甲苯的平衡吸附量顯著提高,從原來(lái)的12.88 mg/m3增加至22.22 mg/m3。

1.3 金屬有機(jī)骨架

金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)是一類由金屬中心或金屬團(tuán)簇與有機(jī)配體通過(guò)配位鍵連接而形成的高規(guī)整的配位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其特有的多孔特征顯示出極強(qiáng)的氣體吸附能力,在VOCs氣體吸附中得到了廣泛應(yīng)用[15-16]。MOFs材料比表面積一般為1000～10 000 m2/g(理論極限為14 600 m2/g),其巨大的比表面積有效增強(qiáng)了吸附性能,更大比表面積的MOFs材料仍在被不斷設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),以提高其實(shí)際應(yīng)用潛力。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[17],通過(guò)合成與測(cè)試發(fā)現(xiàn),HKUST-1是一種高效吸附劑,對(duì)二氯甲烷和三氯甲烷表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性吸附及分離性能。在298 K下,HKUST-1對(duì)二者的吸附量分別為13.12 mmol/g、8.53 mmol/g,相較于其他吸附劑,如活性炭和沸石等,HKUST-1的吸附量顯著提高。任柳芬等[18]在22 ℃條件發(fā)現(xiàn),MOF-5對(duì)苯(802 mg/g)、二氯甲烷(1211 mg/g)、三氯甲烷(1367 mg/g)等VOCs具有優(yōu)異的吸附性能,是沸石、活性炭等傳統(tǒng)吸附材料的4～10倍。

2 吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)VOCs廢氣處理中,將廢氣集中送往廢氣收集系統(tǒng),對(duì)廢氣的溫度、濕度、氣壓與濃度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。隨后廢氣進(jìn)入預(yù)處理階段,為吸附過(guò)程提供有利條件。VOCs廢氣將進(jìn)入吸附處理環(huán)節(jié),結(jié)束吸附的VOCs廢氣濃度會(huì)再次進(jìn)行檢測(cè),達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行排放,若VOCs廢氣不達(dá)標(biāo),則廢氣將會(huì)被送回廢氣收集系統(tǒng)進(jìn)行二次處理,以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,減少因一次處理結(jié)果不達(dá)標(biāo)而引起的環(huán)境污染。系統(tǒng)工作流程如圖1所示?？傮w吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

1-廢氣收集系統(tǒng) 2-預(yù)處理系統(tǒng) 3-VOC廢氣吸附系統(tǒng) 4-再處理系統(tǒng)圖2 總體吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of overall adsorption system

2.1 廢氣收集系統(tǒng)

在廢氣收集階段,對(duì)VOCs廢氣的風(fēng)速、溫度、濕度、濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)廢氣中各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)有利于在預(yù)處理階段做出相應(yīng)的改善。對(duì)VOCs廢氣濃度進(jìn)行檢測(cè),可保證在吸附完成時(shí)對(duì)凈化后的VOCs廢氣濃度有精確的對(duì)比,為排放達(dá)標(biāo)提供原始數(shù)據(jù)。可通過(guò)VOCs污染物濃度的增減判斷生產(chǎn)過(guò)程中是否有操作不規(guī)范等問(wèn)題,為加工技術(shù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2.2 預(yù)處理系統(tǒng)

工業(yè)產(chǎn)生的廢氣中可能不止含有VOCs廢氣,如在涂裝行業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生漆霧顆粒物等污染物,這些污染物可能會(huì)堵塞吸附材料(如活性炭)的孔隙,降低其吸附效率并縮短其使用壽命。當(dāng)吸附材料的孔隙被堵塞時(shí),會(huì)降低其吸附容量及選擇性,甚至導(dǎo)致不可修復(fù)的失效。預(yù)處理階段應(yīng)采用過(guò)濾網(wǎng)對(duì)廢氣進(jìn)行處理,去除廢氣中直徑較大的顆粒物,避免其對(duì)吸附劑孔徑造成堵塞,影響吸附效率及使用壽命。預(yù)處理措施可降低吸附劑受到顆粒物干擾的風(fēng)險(xiǎn),提高吸附系統(tǒng)的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性[19]。

在前一階段完成對(duì)VOCs廢氣的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)檢測(cè),如果廢氣風(fēng)速過(guò)低會(huì)影響下一階段的處理效率,需提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,加大廢氣流速;如果溫度過(guò)低,則需提高VOCs廢氣溫度。

2.3 VOCs廢氣吸附系統(tǒng)

VOCs廢氣吸附是吸附法處理VOCs的核心環(huán)節(jié),其目的是通過(guò)選擇合適的吸附劑及優(yōu)化吸附箱結(jié)構(gòu),使廢氣與吸附劑充分接觸,將廢氣中的VOCs有選擇性地吸附到吸附劑表面,從而實(shí)現(xiàn)廢氣凈化目的。廢氣吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下問(wèn)題:適當(dāng)?shù)奈讲牧咸畛涿芏?。吸附材料填充密度過(guò)大易造成阻力過(guò)大,影響廢氣流動(dòng);填充密度過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致吸附材料之間的空隙增大,減少吸附材料的有效表面積。因此,適當(dāng)?shù)奈讲牧咸畛涿芏仁潜ＷC吸附效率的關(guān)鍵。吸附箱結(jié)構(gòu)合理。合理設(shè)計(jì)的吸附箱結(jié)構(gòu)可以確保廢氣在吸附劑中均勻流動(dòng),增加吸附材料與廢氣接觸的表面積,從而提高吸附效率。不同的吸附箱結(jié)構(gòu)(如管式、平板式、多層式等)適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景,具體選擇需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。氣流分布均勻。在吸附箱內(nèi)部布置導(dǎo)流板或隔板,能夠使氣流在吸附箱內(nèi)部分布更加均勻,減少?gòu)U氣在吸附箱中的短路現(xiàn)象,從而提高吸附效率。吸附劑更換方便。吸附劑的使用壽命是有限的,合理設(shè)計(jì)吸附箱結(jié)構(gòu)可使吸附劑的更換更加方便,降低更換成本及影響。

設(shè)計(jì)廢氣吸附裝置以提高廢氣處理效率為主要目的,在VOCs處理空間外部設(shè)有絕熱保溫層,以確保不會(huì)因環(huán)境溫度的不同而引起廢氣溫度逐漸降低,導(dǎo)致處理效果變差。在廢氣吸附系統(tǒng)中可再次提高廢氣的流速,保障吸附效果的最大化。

2.4 再處理系統(tǒng)

再處理也稱二次吸附,即對(duì)完成一次吸附的VOCs廢氣因各種因素引起的質(zhì)檢不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象再次進(jìn)行吸附操作。VOCs廢氣通過(guò)廢氣處理系統(tǒng)后,會(huì)對(duì)廢氣中VOCs濃度再次進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)符合排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可直接進(jìn)行排放;若檢測(cè)不合格,則廢氣將重新回到廢氣收集系統(tǒng),準(zhǔn)備二次吸附操作,直至達(dá)標(biāo)時(shí)方可排放。

工業(yè)處理時(shí)常會(huì)忽視此問(wèn)題,間隔一段時(shí)間進(jìn)行一次廢氣濃度檢測(cè),查看是否做到達(dá)標(biāo)排放,而不達(dá)標(biāo)的情況只能在接下來(lái)的VOCs廢氣處理中解決,無(wú)法解決在此之前的不達(dá)標(biāo)狀況,導(dǎo)致對(duì)環(huán)境及人體的危害風(fēng)險(xiǎn)大大提升。為解決此問(wèn)題,再處理操作尤為重要。VOCs再處理階段的影響原因主要包括以下幾方面:吸附劑使用時(shí)間逐漸變長(zhǎng),導(dǎo)致吸附效果變差,距進(jìn)風(fēng)口的距離不同,吸附劑壽命也不同。此外,不同的吸附劑對(duì)VOCs的吸附效果不同,在同一次吸附處理中可能需要用到不同的吸附劑,會(huì)出現(xiàn)不同的吸附效果。因此在同一次吸附處理VOCs廢氣時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)部分VOCs濃度不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。需及時(shí)更換或脫附處理吸附劑,以確保吸附效率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

近年來(lái)工業(yè)發(fā)展迅速,工業(yè)生產(chǎn)必然伴隨著大量的VOCs產(chǎn)生,令環(huán)境治理壓力增大。為實(shí)現(xiàn)高效的VOCs治理,需結(jié)合各工業(yè)排放特點(diǎn),根據(jù)環(huán)境變化的特殊性,綜合分析VOCs的影響因素,以達(dá)到更好的處理效果。分析各吸附法處理的優(yōu)勢(shì),保證VOCs達(dá)標(biāo)排放。實(shí)際處理過(guò)程中,可組合使用VOCs治理技術(shù),降低VOCs的治理成本,為促進(jìn)工業(yè)發(fā)展及環(huán)境治理注入新動(dòng)力。