1活性炭簡述

活性炭是經(jīng)過活化處理后的碳，其具備比表面積大，孔隙多的特點，使其具有較強吸附能力。顆粒碳比表面積一般可達700—1200m²/g，其孔徑大小范圍在1.5nm一5um之間。其吸附方式主要通過2種途徑：一是活性炭與氣體分子間的范德華力，當氣體分子經(jīng)過活性炭表面，范德華力起主導作用時，氣體分子先被吸附至活性炭外表面，小于活性炭孔徑的分子經(jīng)內(nèi)部擴散轉(zhuǎn)移至內(nèi)表面，從而達到吸附的效果，此為物理吸附;二是吸附質(zhì)與吸附劑表面原子間的化學鍵合成，此為化學吸附?；钚蕴课揭话氵m用于大風量、低濃度、低濕度、低含塵的有ji廢氣。

活性炭吸附在VOCs治理中利用吸附劑(粒狀活性炭和活性炭纖維)的多孔結(jié)構(gòu)，將廢氣中的VOC捕獲。將含VOC的有ji廢氣通過活性炭床，其中的VOC被吸附劑吸附，廢氣de到凈化，而排入大氣。

活性炭吸附法主要用于脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等的回收。

活性炭吸附VOCs的特點

活性炭作為目前zui常用的VOCs吸附劑，主要有以下特點。

(1) 活性炭具有孔徑分布廣泛、孔隙率高和比表面積大的優(yōu)點。

(2) 活性炭的機械性能gao、化學性質(zhì)穩(wěn)定，能在較大的pH 范圍內(nèi)使用。 

(3) 活性炭具有一ding的催化活性。

(4) 活性炭的疏水性使其對揮發(fā)性有ji化合物有ji強的吸附性，并且能在較大的濕度下依然保持較強吸附性能。

2活性炭吸附適用范圍

吸附技術(shù)是zui為經(jīng)典和常用的氣體凈化技術(shù)，也是目前工業(yè)VOCs治理的主流技術(shù)之一。吸附法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的吸附分離與凈化，對于gao濃度的有ji氣體，一般情況下首先需要經(jīng)過冷凝等工藝進行“降濃”處理，然后再進行吸附凈化。對于“油氣”等gao濃度VOCs氣體的凈化，也可以采用吸附法(降壓解吸zai生 )，但對活性炭有一些te殊的要求。

活性炭吸附技術(shù)主要用于廢氣中組分比較簡單、有ji物回收利用價值較高的情況，適于噴漆、印刷和粘合劑等溫度不高，濕度不大，排氣量較大的場合，尤其對含鹵化物的凈化回收geng為有xiao。-

2.1 污染物濃度要求

除溶劑和油氣儲運銷裝置的有ji廢氣吸附回收外，進入吸附裝置的有ji廢氣中有ji物的濃度應(yīng)低于其爆炸ji限下限的25%。當廢氣中有ji物的nong度gao于其爆炸ji限下限的25%時，應(yīng)使其降低到其爆炸ji限下限的25%后方可進行吸附凈化。對于含有混合有ji化合物的廢氣，其控制濃度P應(yīng)低于最易爆炸組分或混合氣體爆炸ji限下限值的 25%，即 P

Pm=(P1+P2+...+Pn)/(V1/P1+V2/P2+...+Vn/Pn)  

式中：

Pm——混合氣體爆炸ji限下限值，%

P1，P2， , ， Pn——混合有ji廢氣中各組分的爆炸ji限下限值，%

V1， V2，, ， Vn——混合有ji廢氣中各組分所占的體積百分數(shù)，%

 n——混合有ji廢氣中所含有ji化合物的種數(shù)。

廢氣濃度： LEL25 ～50%

2.2 氣體溫度要求

進入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃。正常情況下，VOCs氣源溫度需要低于40℃才能讓活性炭進行工作，25℃是活性炭產(chǎn)品吸附條件比較合適的溫度，實際的工程應(yīng)用中，如果一旦溫度不在這個范圍內(nèi)，那么活性炭吸附VOCs氣源就會變得比較吃力，或者因為氣溫氣壓的變化出現(xiàn)VOCs氣源釋放的情況。

2.3 濕度對活性炭吸附性能的影響

2.3.1 濕度要求

   進入活性炭吸附裝置的廢氣濕度應(yīng)該盡可能低。

2.3.2原理

1、由于活性炭表面通常含有大量的含氧基團，一般活性炭均具有較強的吸水能力，與有ji物產(chǎn)生競爭吸附作用。

2、活性炭中含有灰分(金屬氧化物 )，提高了其吸水能力。

2.3.3提gao活性炭的疏水性能的方法

(1)原材料的影響：如煤種的影響、瀝青基球型活性炭具有較好的疏水能力;

(2)高碘值活性炭(揮發(fā)份低)的疏水能力通常要優(yōu)于低碘值的活性炭;

(3)對活性炭進行表面疏水改性，去除或減少表面含氧基團、降低灰分(金屬氧化物 )。

2.4 顆粒物影響

進入吸附裝置的顆粒物含量宜低于1mg/m³。

粉塵：細顆粒物  (化工、家具等)

漆霧顆粒物 (形成氣溶膠 )：影響zui大 (噴涂廢氣的處理難題)

絮狀顆粒物 (印刷、橡膠、化纖等生產(chǎn)過程)

2.5 廢氣成分的影響

2.5.1活性炭的“中毒”(或劣化 )

高沸點 (或“半揮發(fā)性”)物質(zhì)zai生困難，在活性炭上聚集，如硅烷、油脂等化合物，需要通過冷凝、過濾、吸附等預處理首先jin行去除;

發(fā)生聚合反應(yīng)，造成在活性炭上聚集，如甲醛、苯乙烯等;

二硫化碳(硫化氫 )等吸附反應(yīng)形成單質(zhì)硫的聚集。

在吸附氣體中即使含有微量的高分子物質(zhì)或聚合性物質(zhì)，在活性炭中聚集,也會很快引起活性炭吸附性能急劇下降。

2.5.2活性炭的反應(yīng)活性(催化性)

活性炭表面具有催化活性，會與一些化合物部分進行氧化、水解等催化反應(yīng)。

典型反應(yīng)：

(1)乙酸乙酯、乙酸丙酯等易發(fā)生水解反應(yīng)形成有ji酸;

(2)MEK(甲乙酮)、MIBK(甲基異丁基酮)易被氧化形成有ji酸和丁二酮;環(huán)己酮氧化或聚合形成環(huán)亞己基環(huán)己酮;

(3)甲醛、苯乙烯等易發(fā)生聚合反應(yīng);

(4)其他：如樹脂生產(chǎn)中的添加劑帶入二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺在活性炭上會發(fā)生水解生產(chǎn)二甲胺，造成臭氣排放問題。

2.5.3廢氣成分造成的問題

(1) 回收的溶劑變色、發(fā)臭(如包裝印刷廢氣 )

(2) 聚合后難zai生，造成活性炭中毒(劣化 )

(3) 反應(yīng)放熱，造成活性炭著火。

3 活性炭吸附的影響因素

3.1活性炭孔隙分布對VOCs 吸附效果的分析

活性炭不同孔徑的孔隙具有完quan不同的吸附機理。其中微孔(<2nm)吸附基本符合微孔填充理論，即固體吸附劑表面存在位勢場，鄰近的VOCs分子在場的作用下吸附在吸附劑表面;過渡孔(2nm 至100nm)吸附時除單分子層和多分子層吸附外，更主要的是通過毛細凝聚機理產(chǎn)生容積填充吸附;大孔(>100nm)吸附主要是多分子層吸附，符合BET 理論。此外,活性炭的孔徑要和VOCs 的分子大小相匹配才能被有xiao吸附。在分子大小相匹配的情況下，活性炭孔徑的分布越均勻、孔的形狀越規(guī)則，則活性炭吸附效果越好。

梁曉懌等通過活性炭對甲醛氣體的吸附試驗，證明吸附效果與活性炭孔結(jié)構(gòu)和甲醛分子的表面官能團密切相關(guān)：活性炭的微孔比表面積越大，其表面能越高，吸附效果越明顯;若活性炭過渡孔比表面積大，則吸附達到平衡的時間短。

3.2 活性炭活化方式對VOCs吸附效果的分析

活性炭的活化按活化方式可分為物理活化和化學活化。其中物理活化是利用活性氣體在較高溫度下對活性炭進行弱氧化，常用水蒸氣或CO₂來活化活性炭?；瘜W活化法是在一ding溫度下將活性炭浸漬在化學藥品中對其表面進行改性，常用硝酸及其鹽類。

R. R.Bansod 等利用不同原料和不同方法制備的活性炭對苯、二氯甲烷、四氯化碳等化合物進行吸附試驗。結(jié)果表明，活性炭的制備材料和制作過程對活性炭吸附能力有顯著影響。

3.3 對不同初始濃度VOCs吸附效果的分析

VOCs濃度對活性炭吸附效果有顯著影響。一般情況下，VOCs初始濃度越大，其對活性炭的穿透時間和飽和時間越短。活性炭對gao濃度VOCs 吸附的過程屬于物理吸附，基本不用考慮化學吸附的影響，吸附效果主要取決于活性炭孔徑的大小和數(shù)量;而對于低濃度VOCs 吸附的過程屬于化學吸附，吸附效果主要取決于VOCs的化學性質(zhì)。

袁文輝等進行了不同濃度的甲苯吸附試驗。結(jié)果表明，不同濃度甲苯的10% 穿透吸附劑的時間與吸附質(zhì)初始濃度的對數(shù)存在線性關(guān)系，即吸附質(zhì)初始濃度越大，其透過吸附劑的時間越短，吸附質(zhì)的吸附效果越好。

3.4 對不同分子量和極性VOCs吸附效果的分析

VOCs的分子量和極性對活性炭吸附效果有很大影響。一般情況下，若VOCs結(jié)構(gòu)類似，其相對分子質(zhì)量越大，則被吸附得越多;對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)都相近的VOCs，則是不飽和性越大越易被吸附。

Yu-ChunChiang等利用不同原料制配的活性炭吸附苯、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳4 種VOCs。結(jié)果表明，活性炭對苯的吸附效果geng強，因為苯有較高的吸附熱和較低的熵變。

3.5 不同組分VOCs吸附效果的分析

VOCs的組分不同，活性炭吸附的效果不同。因為VOCs各組分的吸附親和力不同，在被活性炭吸附時會產(chǎn)生競爭效應(yīng)。VOCs各組分在活性炭表面的吸附過程是一個吸附和解離的動態(tài)平衡過程，吸附neng力qiang的VOCs組分先達到動態(tài)平衡，吸附能力弱的VOCs組分后達到平衡。

3.6 其他因素對活性炭吸附效果的分析

VOCs流量、吸附劑的填充密度等對吸附質(zhì)的吸附效果都有不同程度的影響。袁文輝研究了用活性炭吸附苯系物的試驗。結(jié)果表明，VOCs的流量加大會較快到達穿透點和吸附飽和點，吸附曲線斜率不變，使穿透曲線發(fā)生前移;吸附劑填充密度對吸附質(zhì)穿透時間與飽和時間都有影響，吸附劑填充密度大有利于吸附。

吸附技術(shù)是zui為經(jīng)典和常用的氣體凈化技術(shù)，也是目前工業(yè)VOCs 治理的主流技術(shù)之一。吸附法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的吸附分離與凈化，對于gao濃度的有ji氣體，一般情況下首先需要經(jīng)過冷凝等工藝進行“降濃”處理，然后再進行吸附凈化。

4 活性炭吸附裝置及計算

4.1空塔氣速的確定

空塔氣速為氣體通過吸附器整個橫截面的速度?？账馑俚倪x擇不僅直接決定了吸附器尺寸和壓降的大小，而且還會影響吸附效率。氣速很小，則吸附器的尺寸很大，不經(jīng)濟；氣速過大，則壓降會增大，使吸附效率受到影響。通過實驗確定zui佳氣速。吸附設(shè)計中不能追求過高的吸附效率，把空塔速度取值降低，那樣會使吸附床體積、吸附劑用量和設(shè)備造價大為提高；反之也不宜取過大的空塔氣速，那樣設(shè)備費用雖低，但吸附效率下降很多，且體系壓降會隨空塔速度的增大上升很快，造成動力消耗過大，因此應(yīng)選取合適的空塔氣速，zui適宜的空塔氣速為0.8~1.2m/s。

4.2過濾風速的確定

活性炭過濾風速在《吸附法工業(yè)有ji廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2026—2013)中，可以查到固定床吸附，采用顆粒狀吸附劑氣體流速宜低于0.6m/s，采用纖維狀吸附劑氣體流速宜低于0.15m/s，采用蜂窩狀吸附劑氣體流速宜低于1.2m/s;過濾面積即可根據(jù)處理風量和過濾風速計算得出。

4.3吸附層計算

碳層厚度的設(shè)計，就需要結(jié)合廢氣的產(chǎn)生濃度、去除效率、活性炭的更換時長等因素進行。一般會采用2種方式計算碳層厚度：1、根據(jù)活性炭需要的更換周期，來確定活性炭的總的裝填量，之后再根據(jù)過濾面積計算碳層厚度;2、在考慮吸附箱尺寸大小、碳層風阻、過濾風速的情況下，依照經(jīng)驗直接選定一個厚度值。

以上設(shè)計基于活性炭的吸附速率為一個恒定值或者無xian大到可忽略不計的情況下設(shè)計的。而實際中吸附速率目前還不能有xiao計算出，不同的碳、不同的過濾風速、不同的風壓等等，都會影響碳層的速率吸附速率。

實際中影響碳層吸附速率的因素有：吸附質(zhì)濃度、風壓、溫度、活性炭比表面積等等，各條件參數(shù)之間的關(guān)系可以表示為以下公式：

停留時間確定后，活性炭的厚度即可根據(jù)設(shè)計的過濾風速計算得出。

計算步驟：

假定吸附床到達穿透時間時全部處于飽和狀態(tài)，即達到它的平衡吸附量a,也稱a為凈活度，在吸附作用時間t內(nèi)，所吸附污染物的量為：

式中：X---在時間t內(nèi)的吸附量；

a---靜活度，重量，%

S---吸附層的截面積，m²

L---吸附層高度，m

     ---吸附劑的堆積密度；

活性炭的作用時間由下式算出：

   式中：V---活性碳的裝填量，m³

         C---jin口氣污染物濃度，mg/m³

                   Q---氣流量，m³/h

          t---活性炭使用時間，h

          W---活性炭原粒度的中重量穿透炭容，%

          d---活性炭的堆密度，t/m³

由上述公式可計算出吸附作用時間及吸附層高度

吸附劑用量M：

4.4吸附裝置分析

同樣的條件下，一般活性炭層的厚度越厚，其去除效率也會越高，但實際應(yīng)用中，為提高設(shè)備的經(jīng)濟性，通常要考慮碳層厚度不能無xian制的加厚，因此對于活性炭層厚度的選擇，需要根據(jù)去除效率要求和碳本身的吸附速率，進行有xiao設(shè)計計算?？梢钥闯觯?/span>(1)碳層厚度選擇小，吸附速率慢，碳層就會容易被穿透，導致去除效率降低;(2)碳層厚度選擇大，吸附速率快，碳層就不容易被穿透，碳可以長時間使用。

當炭吸附達到飽和后，對飽和的炭床進行脫附zai生;通入水蒸汽加熱炭層，VOC被吹脫放出，并與水蒸汽形成蒸汽混合物，一起離開炭吸附床，用冷凝器冷卻蒸汽混合物，使蒸汽冷凝為液體。

對于水溶性VOC氣體，用精餾將液體混合物提純;水不溶性VOC氣體，用沉析器直接回收VOC。比如，涂料中所用的“三苯”與水互不相溶，故可以直接回收。

采用纖維狀活性炭時，吸附單元的壓力損失宜低于4kPa；采用其他形狀吸附劑時，吸附單元的壓力損失宜低于2.5kPa。

對于一次性吸附工藝，當排氣濃度不能滿足設(shè)計或排放要求時應(yīng)更換吸附劑；對于可zai生工藝，應(yīng)定期對吸附劑動態(tài)吸附量進行檢測，當動態(tài)吸附量降低至設(shè)計值的80%時宜更換吸附劑。

4.5吸附劑zai生溫度

當使用水蒸氣zai生時，水蒸氣的溫度宜低于140℃。

當使用熱空氣zai生時，對于活性炭和活性炭纖維吸附劑，熱氣流溫度應(yīng)低于120℃。含有酮類等易燃氣體時，不得采用熱空氣zai生。脫附后氣流中有ji物的濃度應(yīng)嚴格控制在其爆炸下限的25%以下。

4.6常用吸附床特點比較

5活性炭吸脫附技術(shù)

5.1變壓吸附

變壓吸附 （PSA），是指在恒溫或無熱源狀態(tài)中，利用對系統(tǒng)壓力周期性調(diào)整的形式，促使吸附質(zhì)在多種壓力環(huán)境下進行吸、脫附的循環(huán)運轉(zhuǎn)過程。結(jié)合操作方式的差異性，根據(jù)范德華力之間的差異性，可將PSA分為用普通活性炭進行分離的平衡吸附型和用te特shu活性炭分子篩實現(xiàn)分離的速度分離型。大部分吸附處理工藝多是在常壓條件下進行，脫附流程則是應(yīng)用降低操作壓力或抽真空的方式去操作的，并且在脫附過程中真空度越大，脫附越優(yōu)良。但是在現(xiàn)實操作過程中，高真空度對吸附設(shè)備性能提出較gao要求且運行期間能耗量較大，結(jié)合VOCs的治理成本與吸附效果等因素，工業(yè)通常將脫附壓力設(shè)為8～10kPa。PSA技術(shù)因為自動化程度較高，故此可構(gòu)建循環(huán)操作模式，但是在具體操作期間需連續(xù)加壓減壓，對設(shè)備性能要求較高，能源耗用量較大，通常被應(yīng)用在gao檔溶劑的回收ling域中。變壓吸附過程中VOCs氣相濃度變化規(guī)律見圖1。

圖1 吸附過程開始時氣相濃度分布示意圖

5.2 變溫吸附

變溫吸附（TSA）的運行機理可做出如下闡述：應(yīng)用吸附劑的平衡吸附量伴隨溫度上升而下降的屬性，實現(xiàn)在常溫條件下的吸附，溫度上升后達到預設(shè)脫附目標的過程。活性炭脫附過程吸熱，升溫對脫附效率的提升有明顯的cu進作用。若采用水蒸氣、熱氣體等介質(zhì)進行脫附時，脫附溫度一般被控制在100～200℃范疇中。在對VOCs進行吸附處理過程中，如果吸附量指標偏高，吸附質(zhì)屬于沸點偏低的小分子碳氫化合物與芳香族有ji物時，可利用水蒸氣脫附以后進行冷凝回收；如果若吸附量偏低，例如吸附對象是甲苯、二甲基乙酞胺等 VOCs，建議應(yīng)用其他熱氣體（熱空氣、熱N2 等）吹掃進行脫附，在以上工藝結(jié)束后可采用灼燒或再吸附工藝技術(shù)實現(xiàn)回收。RAMALINGAM等應(yīng)用TSA技術(shù)，對室內(nèi)環(huán)境中室內(nèi)常見丙酮、二氯甲烷與甲酸乙酯3類VOCs的回收利用情況進行分析，發(fā)現(xiàn)以上三類VOCs熱N2 zai生的最適操作條件為：T=170℃、V=0.17m/s。和變壓吸附相比較，變溫吸附通常會應(yīng)用固定床，固定床吸附效率geng高，設(shè)備設(shè)施簡單，工藝相對成熟化。

5.3變電吸附

變電吸附（ESA），多被應(yīng)用到氣體凈化與分離ling域中，其是最近幾年中剛剛yan發(fā)的一類新興工藝，本質(zhì)是變溫吸附。但是和傳統(tǒng)變溫吸附相比較，變電吸附脫附過程是用電加熱飽和吸附劑去實現(xiàn)的，焦耳效應(yīng)形成的熱量會對吸附質(zhì)的釋放過程產(chǎn)生明顯的cu進作用。將變電吸附應(yīng)用于VOCs處理ling域中，有如下諸多優(yōu)勢：①加熱系統(tǒng)構(gòu)造簡單；②能量可直接傳給吸附劑，提升能量的利用效率；③加熱xiao率gao，能明顯降低VOCs處理過程中能量損耗率；④可獨立管控氣體流速與吸附劑溫度的上升速率；⑤熱量流與質(zhì)量流的方向一致，能有助于進一步提升脫附效率；⑥運行成本低廉，和熱蒸氣zai生工藝相比較，變電脫附可節(jié)約50.0%以上的費用；⑦；zai生性能優(yōu)良，guo外有研究發(fā)現(xiàn)，變電吸附工藝經(jīng)12次循環(huán)使用后，吸附劑的吸附容量依然 保留97.0～100.0%。