活性炭吸附工藝詳細(xì)解釋

活性炭是應(yīng)用最廣泛的吸附劑，其生產(chǎn)和使用可以追溯到19世紀(jì)?；钚蕴恐员粡V泛使用主要是因其具有大量的微孔和中孔，且表面積巨大。典型活性炭的孔徑分布及其與其他吸附劑的比較如下圖所示。

據(jù)了解，活性炭吸附技術(shù)是VOCs治理的主流技術(shù)之一，技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單易行、治理成本低、適應(yīng)范圍廣，在所有的治理技術(shù)中占有非常大的市場(chǎng)份額，在涂裝、包裝印刷、石油化工、化學(xué)品制造、醫(yī)藥化工和異味治理等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
但由于業(yè)內(nèi)人員對(duì)活性炭的基本性能、活性炭吸附技術(shù)的適用范圍和使用條件等缺乏規(guī)律性認(rèn)識(shí)，在活性炭選型、工藝設(shè)計(jì)和凈化裝備設(shè)計(jì)中存在較大隨意性，造成凈化設(shè)備效率低，存在安全隱患，活性炭再生更換困難等問題。市場(chǎng)上很多環(huán)保公司對(duì)活性炭吸附技術(shù)過于低估（簡(jiǎn)單誤認(rèn)為活性炭吸附技術(shù)無非就是簡(jiǎn)單的吸附—脫附）。
行業(yè)的種種不規(guī)范及工藝混亂，導(dǎo)致目前不少地方環(huán)保主管部門陷入了“聞炭色變”的誤區(qū)。滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)VOCs污染實(shí)際治理工程的實(shí)際需要，正確引導(dǎo)行業(yè)規(guī)范活性炭在揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）凈化中的應(yīng)用，顯得至關(guān)重要。
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(duì)于高濃度的有機(jī)氣體，一般情況下首先需要經(jīng)過冷凝等工藝進(jìn)行“降濃”處理，然后再進(jìn)行吸附凈化。對(duì)于“油氣”等高濃度VOCs氣體的凈化，也可以采用吸附法（降壓解吸再生），但對(duì)活性炭有一些特殊的要求。
一、廢氣的預(yù)處理
（一）污染物濃度要求
除溶劑和油氣儲(chǔ)運(yùn)銷裝置的有機(jī)廢氣吸附回收外，進(jìn)入吸附裝置的有機(jī)廢氣中有機(jī)物的濃度應(yīng)低于其爆炸極限下限的25%。當(dāng)廢氣中有機(jī)物的濃度高于其爆炸極限下限的25%時(shí)，應(yīng)使其降低到其爆炸極限下限的25%后方可進(jìn)行吸附凈化。
對(duì)于含有混合有機(jī)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極限下限值的25%，即P<min(Pe ,Pm)×25%，Pe為最易爆組分爆炸極限下限值（%），Pm為混合氣體爆炸極限下限值，Pm按照下式進(jìn)行計(jì)算：
  Pm=(P1+P2+…+Pn)/(V1/P1+V2/P2+…+Vn/Pn)     
  式中：
    Pm  ——混合氣體爆炸極限下限值，%
    P1，P2，…，Pn  ——混合有機(jī)廢氣中各組分的爆炸極限下限值，%
    V1，V2，…，Vn  ——混合有機(jī)廢氣中各組分所占的體積百分?jǐn)?shù)，%
    n  ——混合有機(jī)廢氣中所含有機(jī)化合物的種數(shù)。 
（二）氣體溫度要求
進(jìn)入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃。

(三)廢氣濕度對(duì)活性炭吸附性能的影響
1、由于活性炭表面通常含有大量的含氧基團(tuán)，一般活性炭均具有較強(qiáng)的吸水能力，與有機(jī)物產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)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。

如何提高活性炭的疏水性能
（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(duì)活性炭進(jìn)行表面疏水改性，去除或減少表面含氧基團(tuán)、降低灰分（金屬氧化物）。
（四）顆粒物的含量要求
進(jìn)入吸附裝置的顆粒物含量宜低于1mg/m3。
粉塵：細(xì)顆粒物（化工、家具等）
漆霧顆粒物（形成氣溶膠）：影響最大
絮狀顆粒物：印刷、橡膠、化纖等生產(chǎn)過程產(chǎn)生
（五）廢氣成分的影響
1、活性炭的“中毒”（或劣化）：
高沸點(diǎn)（或“半揮發(fā)性”）物質(zhì)再生困難，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(yù)處理首先進(jìn)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(huì)很快引起活性炭吸附性能急劇下降。
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(huì)與一些化合物部分進(jìn)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)形成有機(jī)酸；
（2）MEK（甲乙酮）、MIBK（甲基異丁基酮）易被氧化形成有機(jī)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(huì)發(fā)生水解生產(chǎn)二甲胺，造成臭氣排放問題。
造成的問題：
（1）回收的溶劑變色、發(fā)臭（如包裝印刷廢氣）；
（2）聚合后難再生，造成活性炭中毒（劣化）
（3）反應(yīng)放熱，造成活性炭著火。
二、基本工藝流程
1、工藝流程圖

2、工藝說明
車間有機(jī)廢氣通過吸氣罩收集，在排風(fēng)機(jī)作用下，經(jīng)過管道輸送進(jìn)入干式過濾器，再進(jìn)入活性炭吸附裝置，有機(jī)污染物被活性炭吸附，凈化后的氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后達(dá)標(biāo)排放?；钚蕴课斤柡秃螅?qǐng)專業(yè)廠家再生后回用。

3、活性炭的吸附原理
a.吸附現(xiàn)象是發(fā)生在兩個(gè)不同的相界面的現(xiàn)象，吸附過程就是在界面上的擴(kuò)散過程，是發(fā)生在固體表面的吸附，這是由于固體表面存在著剩余的吸引而引起的。
吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附；物理吸附亦稱范德華吸附，是由于吸附劑與吸附質(zhì)分子之間的靜電力或范德華引力導(dǎo)致物理吸附引起的，當(dāng)固體和氣體之間的分子引力大于氣體分子之間的引力時(shí)，即使氣體的壓力低于與操作溫度相對(duì)應(yīng)和飽和蒸氣壓，氣體分子也會(huì)冷凝在固體表面上，物理吸附是一種吸熱過程。
化學(xué)吸附亦稱活性吸附，是由于吸附劑表面與吸附質(zhì)分子間的化學(xué)反應(yīng)力導(dǎo)致化學(xué)吸附，它涉及分子中化學(xué)鍵的破壞和重新結(jié)合，因此，化學(xué)吸附過程的吸附熱較物理吸附過程大。
在吸附過程中，物理吸附和化學(xué)吸附之間沒有嚴(yán)格的界限，同一物質(zhì)在較低溫度下往往是化學(xué)吸附?；钚蕴坷w維吸附以物理吸附為主，但由于表面活性劑的存在，也有一定的化學(xué)吸附作用。
b.活性炭對(duì)廢氣吸附的特點(diǎn)：
（1）、對(duì)于芳香族化合物的吸附優(yōu)于對(duì)非芳香族化合物的吸附。
（2）、對(duì)帶有支鍵的烴類物理優(yōu)于對(duì)直鏈烴類物質(zhì)的吸附。
（3）、對(duì)有機(jī)物中含有無機(jī)基團(tuán)物質(zhì)的吸附總是低于不含無機(jī)基團(tuán)物質(zhì)的吸附。
（4）、對(duì)分子量大和沸點(diǎn)高的化合物的吸附總是高于分子量小和沸點(diǎn)低的化合物的吸附。
（5）、吸附質(zhì)濃度越高，吸附量也越高。
（6）、吸附劑內(nèi)表面積越大。吸附量越高。
4、活性碳纖維
以新型吸附材料—活性碳纖維（ACF）為吸附劑的吸附法是近幾年發(fā)展起來的一種新型的有機(jī)廢氣回收方法，被認(rèn)為是最有效的回收凈化有機(jī)廢氣的新方法，近年來已引起廣大研究工作者和相關(guān)企業(yè)的極大關(guān)注。與傳統(tǒng)的活性炭相比，活性碳纖維具有以下優(yōu)異特性：
1) 比表面積大，有效吸附容量高；
2) 吸附、脫附快，能耗低，容易再生；
3) 強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)；
4) 形狀多樣，便于工程應(yīng)用；
5) 可吸附低濃度氣體；
6) 吸附選擇性強(qiáng)。
5、活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置
以活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例，分析其設(shè)備組成、工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)。
設(shè)備組成
吸附設(shè)備由引風(fēng)風(fēng)機(jī)、表冷器、過濾器、吸附器、分層槽等組成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由PLC程序控制，自動(dòng)切換吸附器，使之交替進(jìn)行吸附、解吸和干燥工藝過程的操作。
工藝流程
揮發(fā)性有機(jī)氣體先經(jīng)過一定的前處理裝置，再經(jīng)過濾器進(jìn)一步去除尾氣中的雜質(zhì)，以保證這些雜質(zhì)不占用活性碳纖維的孔隙，影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命；過濾后的尾氣經(jīng)風(fēng)機(jī)引入吸附設(shè)備。
吸附了一定數(shù)量有機(jī)溶劑的活性碳纖維，用飽和水蒸汽進(jìn)行解吸，解吸完成后將通過過濾的外界空氣送入吸附器由風(fēng)機(jī)進(jìn)行干燥，使活性碳纖維床層冷卻并去除殘留的蒸汽，使活性碳纖維保持較高的吸附效率。干燥好的吸附器進(jìn)入下一工作程序循環(huán)進(jìn)行吸附。
解吸出的含有機(jī)物的混合蒸汽進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行一級(jí)冷凝，冷凝液再經(jīng)板式冷凝器冷卻，經(jīng)過冷凝的有機(jī)物和冷凝水進(jìn)入分層槽，經(jīng)重力分層，上層的有機(jī)物自動(dòng)溢流至儲(chǔ)槽，然后經(jīng)輸送泵送到吸附回收設(shè)備；下層的冷凝水排入廢水處理系統(tǒng)。
6、技術(shù)特點(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)合理
吸附芯為籠型結(jié)構(gòu)，具有活性碳纖維用量少，處理風(fēng)量大的特點(diǎn)，可大幅度降低有機(jī)廢氣處理成本。
（2）吸附率高
由于活性碳纖維的比表面積特性，決定了其吸附率可高達(dá)95%以上。采用專利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)吸附，可以達(dá)到極高的吸附率，是目前國(guó)際上能夠達(dá)到苛刻的環(huán)保排放要求的吸附裝置。
（3）運(yùn)行能耗低、費(fèi)用低
由于活性碳纖維的脫附、再生能耗低，再加上活性碳纖維纏繞芯的氣流阻力小、風(fēng)機(jī)功率小，所以在運(yùn)行中活性碳纖維有機(jī)廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均比較低。
（4）全自動(dòng)控制、無人值守運(yùn)行
采用可編程序控制器中央控制，集成電磁閥、托氣缸執(zhí)行動(dòng)作，可靠性高。按照工藝流程設(shè)計(jì)的模擬盤顯示，運(yùn)行狀況可以一目了然，并設(shè)計(jì)有故障檢測(cè)及指示功能。可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)。
（5）安全可靠、適用于有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所
采用防爆風(fēng)機(jī)、防爆泵?？刂乒?、氣動(dòng)柜采用正壓防爆技術(shù)，外部信號(hào)通過安全柵連接，系統(tǒng)接地，確保了裝置的安全性。
三、組合工藝流程
實(shí)際的廢氣治理過程中，單一的活性炭吸附工藝會(huì)造成活性炭飽和速度過快，處理效果不穩(wěn)定。因此大多數(shù)情況下都是與其他處理工藝組合使用。
1、旋流板塔+UV光解+活性炭吸附工藝

此工藝多用于處理低濃度有機(jī)廢氣，在烘干固化爐產(chǎn)生的有機(jī)廢氣中應(yīng)用較多。
其主要工藝流程為：廢氣在引風(fēng)機(jī)的作用下，通過管道輸送，以切線從底部進(jìn)入旋流板洗滌凈化塔，在離心力的作用下，呈螺線形氣旋上升，達(dá)到旋流板時(shí)，由于受數(shù)量足夠多的傾角為25°的旋流葉片的切割作用，產(chǎn)生更大的離心力，與從上向下噴成霧狀的循環(huán)液滴接觸，氣液得到充分的混合，氣體中剩余的油霧顆粒物被循環(huán)液吸收，隨水流進(jìn)入循環(huán)水池。
經(jīng)旋流板洗滌凈化塔后的氣體進(jìn)入U(xiǎn)V光解凈化器。該設(shè)備以二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎?，與紫外線、空氣接觸反應(yīng)產(chǎn)生臭氧，利用臭氧對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解;同時(shí)大分子有機(jī)物在紫外線作用下轉(zhuǎn)化為小分子化合物或者發(fā)生反應(yīng)，生成水和二氧化碳，污染物得到去除。
因UV光解凈化效率相對(duì)較低，為了保證廢氣能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，在其后增加活性炭吸附器作為最終的把關(guān)處理，保證油霧顆粒物和總VOCs等長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，最終凈化氣體。因經(jīng)前處理后，廢氣中VOCs的濃度已很低，且顆?；钚蕴吭谖接袡C(jī)物的同時(shí)吸附等離子體，被吸附的有機(jī)物在活性炭纖維的孔隙內(nèi)被等離子體分解，一定程度上延長(zhǎng)了活性炭吸附飽和的時(shí)間和使用壽命。
為保證處理效果，噴淋水循環(huán)使用一段時(shí)間后須更換，廢水中含有污染物質(zhì)，需配套污水處理設(shè)備進(jìn)行處理。該工藝優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易于管理，投資造價(jià)較低。缺點(diǎn)是活性炭更換次數(shù)較頻繁，運(yùn)行費(fèi)用較高。
2、水噴淋+干式過濾器+活性炭吸附+催化燃燒
此工藝多用于噴漆、烘漆VOCs廢氣，主要污染物為苯、甲苯與二甲苯、總VOCs。
含有機(jī)物的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)的作用，首先經(jīng)過水噴淋將大部分漆霧去除后進(jìn)入干式過濾器，干式過濾器一方面可以去除氣體中的水分，另一方面可以進(jìn)一步攔截部分顆粒物，保護(hù)后續(xù)活性炭處理設(shè)施。預(yù)處理后的氣體進(jìn)入活性炭吸附箱，通過吸附作用，有機(jī)物質(zhì)被截留在其內(nèi)部，處理達(dá)標(biāo)的氣體經(jīng)煙囪高空排放。
運(yùn)行一段時(shí)間后，活性炭達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附作用失效，此時(shí)有機(jī)物已被濃縮在活性炭?jī)?nèi)。按照PLC自動(dòng)控制程序，
催化氧化設(shè)備自動(dòng)升溫將熱空氣通過風(fēng)機(jī)送入活性炭床使碳層升溫將有機(jī)物從活性炭中“蒸”出，脫附出來的廢氣屬于高濃度、小風(fēng)量、高溫度的有機(jī)廢氣。該部分氣體進(jìn)入催化燃燒室，在催化劑作用下燃燒后徹底凈化，完成脫附過程。再通過熱交換器將凈化后的氣體降溫，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)引高空排放。
為了保證處理流程的連續(xù)性，該工藝中活性炭箱一般采用一用一備，當(dāng)其中一個(gè)炭箱處于脫附狀態(tài)時(shí)，另外一個(gè)處于吸附狀態(tài)，通過控制程序自動(dòng)切換，交替使用。值得注意的是，脫附過程中要嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行，注意控制燃燒溫度，避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故。
由于某些物質(zhì)，如氯離子，對(duì)脫附所用催化劑具有毒害作用，會(huì)造成催化劑“中毒”而失去催化作用，因此活性炭吸附+催化燃燒工藝不適用于處理含氯離子等對(duì)催化劑有毒害作用成分的氣體。
該工藝特點(diǎn)為：
⑴有機(jī)廢氣具有起燃溫度低的特點(diǎn)，因此不需要大量的能耗。而且當(dāng)催化燃燒達(dá)到一定的起燃溫度后，依靠自身熱量便可以滿足要求，不再需要外界提供熱源;
⑵應(yīng)用的范圍比較廣泛，對(duì)多種成分的廢氣都具有良好的處理效果;
⑶處理效率與其他工藝相比較高，凈化效率可以達(dá)到95%甚至以上，而且最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，沒有二次污染物產(chǎn)生;且由于燃燒溫度低,能大量減少NO X 的生成,因此也大大減少了二次污染;
⑷活性炭可重復(fù)使用，延長(zhǎng)換炭周期，即減少危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生量，對(duì)改善大氣環(huán)境具有重要意義;
⑸自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行安全穩(wěn)定，有效減少了污染物對(duì)環(huán)境的影響。
⑹缺點(diǎn)是投資較大，對(duì)操作人員素質(zhì)要求較高。
總結(jié)
活性炭吸附工藝是一種傳統(tǒng)的治理工藝，其因?yàn)橥顿Y小、處理效果穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用。在使用過程當(dāng)中需要注意的是廢舊活性炭屬于危險(xiǎn)固體廢物，應(yīng)交由有資質(zhì)的第三方公司回收處理。有機(jī)廢氣處理的治理工藝還有很多種，應(yīng)從使用的實(shí)際情況出發(fā)，選用合理的工藝，以保證有良好的處理效果。
來源：VOCs減排工作站