吸附法處理VOCs脫附溫度的選擇

李守信，陳青松，羅鑫，張文智，曾華英

（1.華北電力大學環境學院，河北 保定 071003；2.天津大拇指環境工程有限公司，天津 301700；3.福州大學環境學院，福州 350116；4.廈門中煜環保工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 前言

在采用炭基吸附劑處理VOCs工藝中，不論采用低壓水蒸汽脫附還是氮氣脫附，都是將脫附介質加熱到一定溫度后，對吸附質進行脫附。采用水蒸汽脫附時，一般都是將水蒸汽加熱到100℃，主要是為了利用水的潛熱，另外也不用考慮設備的承壓問題；采用氮氣脫附時，加熱溫度可選擇，當溫度超過100℃時，也不必考慮設備的承壓問題。

目前在脫附溫度的選擇上，一般都是采用粗獷的方法：即不論脫附什么物質，水蒸汽溫度一般都定在100℃或略高；氮氣則根據脫附物質的性質確定。因此，在脫附溫度的選擇上常出現誤區：1）對于一種揮發性有機物的脫附溫度，一般認為：要想把這些物質從吸附劑上脫附下來，其脫附溫度必須高于該物質的沸點[1、6]；2）由于認識上的誤區，使得本不應該使用高溫脫附時，卻錯誤采用高溫進行脫附，不僅收不到理想的效果，而且會造成能源浪費。

2 吸附法治理VOCs工藝

采用吸附法處理VOCs工藝流程如下圖所示[2]。

3 治理VOCs采用的一般脫附方法[3]

3.1 升溫脫附

吸附法處理VOCs工藝流程圖

采用升高溫度的方法，使吸附質分子由固體吸附劑上逸出而脫附的方法，稱為升溫脫附。升溫脫附采用水蒸汽、熱的惰性氣體（如氮氣）、熱煙氣或采用電感加熱等方式。

3.2 降壓脫附

降壓脫附又稱抽空脫附，是降低飽和吸附劑周圍的壓力，使其上的吸附質逸出的脫附方法。降壓后氣相中吸附質的分壓隨之降低，與之平衡的吸附量亦降低，吸附質即被脫附。

3.3 置換脫附

采用在脫附條件下與吸附劑親合能力比原吸附質更強的物質，將原吸附質置換下來的方法，稱為置換脫附。

3.4 吹掃脫附

采用不被該吸附劑吸附的氣體（如惰性氣體）對床層進行吹掃，將吸附質脫附下來，稱為吹掃脫附。

實際應用中，往往是幾種脫附方法結合，例如采用水蒸汽脫附，就同時具有加熱和吹掃的作用。

4 VOCs脫附溫度、脫附效果及分析

4.1 揮發性有機物的脫附情況

在工程實踐中可觀察到部分揮發性有機物的脫附溫度及效率見下表。

由上表可以看出：

（1）脫附溫度與物質的沸點基本沒有關系。以三甲苯為例，其沸點是164.7℃，而采用100℃的水蒸汽，卻能夠將其很好地脫附下來（脫附率97.01%）。而對于比它的沸點低得多的丙烯酸（沸點141℃），采用100℃的水蒸汽進行脫附時，絲毫不起作用。

（2）縱觀上表中的各種物質，凡是飽和蒸氣壓在10.0kPa以上的物質，采用100℃的水蒸汽都能夠很好地脫附下來。而飽和蒸氣壓較低的物質，如苯乙烯（25℃時為0.841）、鄰苯二甲酸二丁酯（148.2℃時為0.13）、丙烯酸丁酯（20℃時為0.53）等，雖然沸點比三甲苯低得多，但由于它們的飽和蒸氣壓很低，采用100℃的水蒸汽仍然無法將它們脫附下來[4]。

由此可得出結論：物質的脫附溫度基本與沸點無關，而和它的飽和蒸氣壓有密切關系。

（3）一些物質之所以難以脫附，皆是因為它們的飽和蒸氣壓很低造成的。由此，也可糾正對苯乙烯難以脫附的原因歸結到“苯乙烯在吸附劑表面發生了聚合反應”[5]的錯誤認識。

（4）對于難以脫附的物質，當采用熱氮氣脫附時，并不是溫度越高脫附的越徹底，過高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如表中所示，在采用熱氮氣對甲基異丁酮（沸點115.8℃，20℃時的飽和蒸氣壓為2.13kPa）進行脫附時發現，當溫度升至100℃時，脫附率只有63.10%；為提高脫附率，將氮氣溫度提高到170℃，此時的脫附率達到76.50%；這時考慮再升溫已毫無意義，將溫度試著下降，結果發現，脫附率反而逐漸上升。當溫度降至110℃時，脫附率達到了峰值99.20%。因此得出，對于難以脫附的物質進行脫附時，并不是溫度越高，脫附越徹底，過高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如遇此類問題時，應通過實驗，慎重選擇適當的脫附溫度，以取得最佳的脫附效率。

4.2 分析

（1）脫附溫度與飽和蒸氣壓的關系[5]。從脫附原理上講，吸附質從吸附劑表面脫附的根本原因是，吸附質分子必須克服吸附劑表面對它的引力，增大它脫離表面的推動力。也就是說，要想使吸附質分子從吸附劑表面脫附下來，就必須給它能量或推動力，使其能夠從吸附劑表面“蒸發”到吸附劑孔道中，從而進入氣相主體。而在通常采用的脫附方法中，加熱脫附是給其提供能量，以增加分子的動能；吹掃脫附和降壓（真空）脫附，都是為了降低吸附劑孔道中廢氣分子的分壓，也就是蒸氣壓，給廢氣造成一個濃度差，從而給廢氣分子由吸附劑表面向氣相轉移提供一個推動力，這個推動力越大，廢氣分子的脫附速度就越快。所以，從這個理論出發就不難理解，吸附質的脫附溫度是與其飽和蒸氣壓直接相關的，而與它的沸點無關。

（2）一些飽和蒸氣壓較低的物質在脫附時，溫度過高反而會使脫附率下降。從吸附的分類上說，可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附，所形成的鍵能只在范德華力的范圍，即最大只有80kJ/kmol左右，而化學吸附的吸附鍵力可達到400kJ/kmol以上。在物質的吸附上，往往存在一種現象：當溫度低時是物理吸附，如果溫度升高，則可能轉變為化學吸附[3]。也就是說，當脫附溫度過高時，使本來存在的物理吸附狀態可能轉化成化學吸附狀態，使得吸附鍵的鍵能大大增加，因而反而不易脫附下來。這就是為什么溫度過高，反而使物質脫附率下降的原因。

當然，要想徹底搞清這個問題，只能對兩種狀態的吸附鍵的鍵能進行測定。但目前對吸附鍵鍵能的測定還較困難，雖然有人采用同步輻射光電離的方法，能夠測定一些物質的化學鍵的鍵能，但采用此法能不能很好地測定吸附鍵的鍵能，目前還未見報道。

5 對脫附溫度確定方法的建議

（1）對于飽和蒸氣壓＞10kPa的物質，原則上都可以采用100℃的水蒸汽進行脫附；但從節約能源的角度講，建議對飽和蒸氣壓較大且沸點較低（如＜70℃）的物質，如：丙酮：沸點56.1℃，飽和蒸氣壓2371.86kPa（100℃）；四氫呋喃：沸點66℃，飽和蒸氣壓101.33kPa（66.0℃）；二氯甲烷：沸點39.75℃，飽和蒸氣壓80.00kPa（35℃）等，建議采用較低溫度的氮氣進行脫附，這樣不僅可降低脫附劑的溫度，同時在對脫附后混合氣體冷凝時，也不用采用溫度很低的冷凝水進行冷凝分離（如二氯甲烷需要采用7℃低溫水進行冷凝分離），就可以節約能源。由于采用了氮氣脫附，也就省去了對冷凝水的處理問題。

（2）對于飽和蒸氣壓較低的物質采用高溫脫附時，也要采用適當的溫度進行脫附，這樣既能收到高的脫附效率，也能達到節能目的。

當然，對于各種物質脫附溫度的選擇，目前還沒有現成的數據可以查詢，還需要進行反復實驗才能初步確定，然后再進行經濟可行性分析，才能最后確定所選擇的脫附溫度是否合適。

6 結語

（1）揮發性有機物的脫附溫度與其沸點沒有關系，而與飽和蒸氣壓有著密切關系[5]。因此，可根據物質的飽和蒸氣壓選擇適當的脫附劑，確定合適的脫附溫度。

（2）從節能的角度考慮，對于沸點較低而飽和蒸氣壓較高的揮發性有機物，建議采用較低溫度（如＜100℃）的氮氣進行脫附，這樣既可以在脫附時節約能源，而且在冷凝分離時也可達到節能目的，同時還省去了污水處理的費用。

（3）對于飽和蒸氣壓特別低、沸點較高的揮發性有機物，采用高溫脫附時，并不是溫度越高脫附效果越好，過高的溫度反而會降低脫附率。

參考文獻：

[1] 林肇信．大氣污染控制工程[M]．北京：高等教育出版社，1995．

[2] 郭靜，阮宜倫．大氣污染控制工程[M]．北京：化學工業出版社，2001．

[3] 趙毅，李守信．有害氣體控制工程[M]．北京：化學工業出版社，2001．

[4] 中國環保產業協會．注冊環保工程師專業考試復習教材[M]．北京：環境科學出版社，2007．

[5] 李守信．揮發性有機物污染控制工程[M]．北京： 化學工業出版社，2017．

[6] 李守信，陳青松．揮發性有機物治理工藝探討[J]．中國環保產業，2016（4）．