工業(yè)有機(jī)廢氣吸附技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

原 帥，曾毅夫，葉明強(qiáng)，劉勝?gòu)?qiáng)（凱天環(huán)保科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

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工業(yè)有機(jī)廢氣吸附技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

原 帥，曾毅夫，葉明強(qiáng)，劉勝?gòu)?qiáng)
（凱天環(huán)保科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

摘 要：闡述了工業(yè)有機(jī)廢氣的種類(lèi)、組成以及危害；分析了吸附技術(shù)治理工業(yè)有機(jī)廢氣的特點(diǎn)，以及工程中常用吸附材料；提出了新型吸附材料的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)性有機(jī)化合物；吸附技術(shù)；新型吸附材料

VOC（Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機(jī)化合物）是石油化工、制藥、印刷、制鞋、噴漆等行業(yè)排放的最常見(jiàn)的污染物。隨著有機(jī)合成工業(yè)和石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，進(jìn)入大氣的揮發(fā)性有機(jī)化合物越來(lái)越多。這些物質(zhì)主要有硫化氫、硫醇類(lèi)、硫醚類(lèi)、氨、胺類(lèi)、吲哚類(lèi)、硝基化合物、烴類(lèi)、醛類(lèi)、脂肪酸類(lèi)、醇類(lèi)、酚類(lèi)、酯類(lèi)以及有機(jī)鹵系衍生物等［1］。

該類(lèi)有機(jī)物大多具有毒性，部分已被列為致癌物，如氯乙烯、苯、多環(huán)芳烴等。多數(shù)VOC易燃易爆，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的安全造成威脅；部分VOC對(duì)臭氧層具有破壞作用，如氯氟烴（CFCs）和含氫氯氟烴（HCFCls）［2］。因此，需要經(jīng)濟(jì)有效的處理手段治理這些有機(jī)廢氣，其中吸附技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 VOC污染物的種類(lèi)

常見(jiàn)的VOC可分成幾類(lèi)見(jiàn)表1。

大多數(shù)VOC具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，需進(jìn)行回收處理；部分有機(jī)廢氣因會(huì)造成二次污染或無(wú)法消除（如焚燒法等），難以達(dá)到排放環(huán)保要求，只能將其吸附后回收處理，如鹵族化合物氯乙烯和CFCs等。

表1 常見(jiàn)的VOC一覽表

2 吸附技術(shù)治理VOC的分類(lèi)及特點(diǎn)

VOC的處理方法可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是具有破壞性的方法，如焚燒法和催化燃燒法等，該方法可打斷VOC廢氣的化學(xué)鍵，將VOC轉(zhuǎn)化成CO2和H2O；另一類(lèi)是非破壞性方法，即吸附法，常用的回收方法有炭吸附法、冷凝法和膜分離法。而在各種揮發(fā)性有機(jī)廢氣的治理方法中，吸附法已經(jīng)占據(jù)了重要的地位并得到了廣泛應(yīng)用［3-5］。吸附治理技術(shù)因而成為研究的重點(diǎn)。

2.1 吸附技術(shù)的分類(lèi)

根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑之間吸附力的不同，吸附操作分為物理吸附與化學(xué)吸附兩大類(lèi)。

物理吸附又稱(chēng)范德華吸附，是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，因其分子間的結(jié)合力較弱，故容易脫附，如固體和氣體之間的分子引力大于氣體內(nèi)部分子之間的引力，氣體就會(huì)凝結(jié)在固體表面上，吸附過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，吸附在吸附劑上的吸附質(zhì)的蒸氣壓等于它在氣相中的分壓。

化學(xué)吸附是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)健的作用所引起，其間的結(jié)合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，與化學(xué)反應(yīng)熱數(shù)量級(jí)相當(dāng)，過(guò)程往往不可逆，化學(xué)吸附在催化反應(yīng)中起著重要作用。

2.2 吸附機(jī)理及應(yīng)用特點(diǎn)分析

2.2.1 吸附機(jī)理

吸附質(zhì)被吸附劑吸附的過(guò)程可分為三步：

第一步外擴(kuò)散：吸附質(zhì)從流體主體通過(guò)擴(kuò)散（分子擴(kuò)散與對(duì)流擴(kuò)散）傳遞到吸附劑顆粒的外表面。因?yàn)榱黧w與固體接觸時(shí)，在緊貼固體表面處有一層滯流膜，所以這一步的速率主要取決于吸附質(zhì)以分子擴(kuò)散通過(guò)這一滯流膜的傳遞速率。

第二步內(nèi)擴(kuò)散：吸附質(zhì)從吸附劑顆粒的外表面通過(guò)顆粒上的微孔擴(kuò)散進(jìn)入顆粒內(nèi)部，到達(dá)顆粒的內(nèi)部表面。

第三步吸附：吸附質(zhì)被吸附劑吸附在內(nèi)表面上。

對(duì)于物理吸附，第三步通常是瞬間完成的，所以吸附過(guò)程的速率通常由前二步?jīng)Q定，據(jù)內(nèi)、外擴(kuò)散速率的相對(duì)大小分為：外擴(kuò)散控制、內(nèi)擴(kuò)散控制和內(nèi)外擴(kuò)散聯(lián)合控制三種。

2.2.2 吸附機(jī)理的特點(diǎn)

化學(xué)吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相近，比物理吸附熱大很多。如二氧化碳和氫在各種吸附劑上的化學(xué)吸附熱為83，740J/mol和62，800J/mol，而這兩種氣體的物理吸附熱約為25，120J/mol和8374J/mol。

物理吸附?jīng)]有很高的選擇性，其主要取決于氣體或液體的物理性質(zhì)及吸附劑的特性。而化學(xué)吸附具有較高的選擇性，如氯可以被鎢或鎳化學(xué)吸附。

化學(xué)吸附時(shí)，溫度對(duì)吸附速率的影響較顯著，溫度升高則吸附速率加快，因其是一個(gè)活化過(guò)程，故又稱(chēng)活化吸附。而物理吸附即使在低溫下，吸附速率也可能較大，因它不屬于活化吸附。化學(xué)吸附總是單分子層或單原子層，而物理吸附則不同，低壓時(shí)，一般是單分子層，隨著吸附質(zhì)分壓增大，吸附層可能轉(zhuǎn)變成多分子層。

3 VOC治理中常用的吸附劑及應(yīng)用

吸附法的吸附效果主要取決于吸附劑性質(zhì)、氣相污染物種和吸附系統(tǒng)工藝條件（如操作溫度、濕度等因素），因而吸附法的關(guān)鍵問(wèn)題就在于對(duì)吸附劑的選擇。通常固體都具有一定的吸附能力，但只有具有很高選擇性和很大吸附容量的固體才能作為工業(yè)吸附劑。吸附劑要具有密集的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面積大，吸附性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿、耐水、耐高溫高壓，不易破碎，對(duì)空氣阻力小。常用的吸附劑主要有分子篩、活性碳（顆粒狀）和活性碳纖維、活性氧化鋁、硅膠等。

3.1 吸附劑的選擇原則

吸附劑的性能對(duì)吸附操作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)起著決定性的作用，吸附劑的選擇是非常重要的，一般的選擇原則為：1）具有較大的平衡吸附量。一般比表面積大的吸附劑的吸附能力也強(qiáng)；2）具有良好的吸附選擇性；3）容易解吸，即平衡吸附量與溫度或壓力具有較敏感的關(guān)系；4）有一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，性能穩(wěn)定，床層壓降較低，價(jià)格便宜等。

3.2 常用的吸附劑及應(yīng)用

3.2.1 合成沸石（分子篩）及在VOC治理領(lǐng)域應(yīng)用

沸石吸附劑是具有特定而且均勻一致孔徑的多孔吸附劑，其只能允許比其微孔孔徑小的分子吸附上去，比它孔徑大的分子則不能進(jìn)入，有篩分子的作用，故稱(chēng)為分子篩。

分子篩早在1756年就被發(fā)現(xiàn)，但在工業(yè)上得到應(yīng)用，則是在1954年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司完成人工合成分子篩以后。從此，各國(guó)競(jìng)相研究，相繼應(yīng)用。我國(guó)是在20世紀(jì)50年代末60年代初完成人工合成分子篩的研究，并工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界合成分子篩的型號(hào)已有100多種，但用量較多、應(yīng)用較廣的仍是A型、X型和Y型，其它用量不大。根據(jù)原料配比、組成和制造方法不同，可以制成不同孔徑（一般從3A到8A）和形狀（圓形、橢圓形）的分子篩。

根據(jù)VOC廢氣成分的區(qū)別，分子篩的具體參數(shù)也不盡相同，如標(biāo)稱(chēng)孔徑、堆積密度、顆粒直徑、抗壓強(qiáng)度、晶胞常數(shù)、比表面積等都有區(qū)別。分子篩是極性吸附劑，對(duì)極性分子，尤其對(duì)水具有很大的親和力。由于分子篩突出的吸附性能，使得它在吸附分離中有著廣泛的應(yīng)用，主要用于各種氣體和液體的干燥，芳烴或烷烴的分離及用作催化劑及催化劑載體等。

3.2.2 活性炭及其在VOC治理領(lǐng)域應(yīng)用

活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的無(wú)定形碳。活性炭主成分除了碳以外還有氧、氫等元素。活性炭在結(jié)構(gòu)上由于微晶碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有細(xì)孔，在活化時(shí)會(huì)產(chǎn)生碳組織缺陷，因此它是一種多孔炭，堆積密度低，比表面積大。活性炭無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)砂性、不溶于任何溶劑，對(duì)各種氣體有選擇性的吸附能力，對(duì)有機(jī)色素和含氮堿有高容量吸附能力。每克總表面積可達(dá)500～1000m2。相對(duì)密度約1.9～2.1，表觀相對(duì)密度約0.08～0.45。采用活性炭?jī)艋椒ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 活性炭吸附法有機(jī)廢氣常用處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

活性炭的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展很快，目前應(yīng)用較多的主要是粉末狀、顆粒狀的活性炭和活性碳纖維。除此之外，蜂窩狀活性炭作為一種環(huán)保吸附材料，被處理廢氣在通過(guò)蜂窩活性炭方孔時(shí)能充分與活性炭接觸，吸附效率高，風(fēng)阻系數(shù)小，具有優(yōu)良的吸附、脫附性能和氣體動(dòng)力學(xué)性能，采用蜂窩狀活性炭的環(huán)保設(shè)備廢氣處理凈化效率高，吸附床體積小，設(shè)備能耗低，能夠降低造價(jià)和運(yùn)行成本。

3.2.3 新型吸附材料

近些年，各國(guó)對(duì)環(huán)保、節(jié)能領(lǐng)域提出更高要求，吸附劑的研發(fā)工作也取得了飛快的發(fā)展。碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小的微孔組成，孔徑分布0.3～1mm之間，最大用途是空氣分離制作純氮。其吸附氧而得到純氮，即可得到比原始空氣壓力稍低的氧氣。

4 展望

吸附法的優(yōu)點(diǎn)在于去除效率高、能耗低、工藝成熟、脫附后溶劑可回收。缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、流程復(fù)雜、投資后的運(yùn)行費(fèi)用較高且有二次污染產(chǎn)生，當(dāng)廢氣中有膠粒物質(zhì)或其他雜質(zhì)時(shí)，吸附劑易中毒。

在實(shí)踐中遇到的最常見(jiàn)的多孔材料（如活性炭，硅膠和分子篩）的一些缺點(diǎn)，如低吸附能力、易燃性，并有與再生的問(wèn)題。因此，人們一直專(zhuān)注新型多孔材料的吸附能力、快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和高可逆性。

因此，新型吸附劑的開(kāi)發(fā)對(duì)擴(kuò)大吸附分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域尤為重要。與傳統(tǒng)吸附劑相比，新型高效吸附劑可大大提高吸附VOC的能力，提高去除率，極大降低排放氣中殘余VOC含量。而新型金屬-有機(jī)骨架材料由于具備較高的空隙率、好的化學(xué)穩(wěn)定性、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積，比其它的多孔材料具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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［2］ 閆勇.有機(jī)廢氣中VOC的回收方法［J］.化工環(huán)保，1997，17：332-335.

［3］ Edward C. M oretti et al. VOC Control：CurrentPractices and Future T rends. Chem. Eng.Progress，1993，89（7）：20-26.

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［5］ M.John Ruhl.Recover VOCs V ia A dsorptiononActivated Carbon Chem.Eng. Progress，1993，89（7）：37-41.

中圖分類(lèi)號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-5377（2016）02-0050-03

Features and Application of Adsorption Technology of Industrial Organic Waste Gas

YUAN Shuai， ZENG Yi-fu， YE Ming-qiang， LIU Sheng-qiang
（Kaitian Environmental Technology Co.， Ltd， Changsha 410100， China）

Abstract:The article describes the types， compositions and hazards of the industrial organic waste gas； analyzes the characteristic of adsorption technology in treatment of organic waste gas and adsorbent materials used commonly in project；and points out the development of new adsorbent materials.

Keywords:VOC； adsorption technology； new adsorbent material