活性焦(炭)吸附法在醫藥化工廢氣凈化技術應用中的探討

鄒時宇

（杭州回水科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

醫藥化工企業在生產、儲存和輸送物料、化學反應等過程中會產生各種廢氣。這些廢氣主要包括無機廢氣、有機廢氣、惡臭氣體和化工綜合廢氣等，其中揮發性有機物（VOCs）和惡臭氣體占總排放量的95%以上[1]。如果上述廢氣未采用科學合理的工藝進行處理就直接排放到大氣中，將會產生十分嚴重的環境污染，也會嚴重危害人們的身體健康。因此，選擇合適的廢氣凈化技術和工藝對VOCs和惡臭氣體進行處理，已成為相關企業和社會廣泛關注的重點問題。在各種技術和工藝中，活性焦（炭）吸附法以其簡單的流程、良好的經濟性以及適用性被廣泛用于處理各種廢氣。

1 醫藥化工揮發性有機物（VOCs）和惡臭氣體的概述

一般而言，VOCs是指除CO、CO2、碳酸鹽和金屬碳化物等之外，在常溫環境中沸點為50～260oC的有機化合物。按其化學結構分類主要包括芳烴類、醇類、醚類、醛類、烷類、酯類等。在醫藥化工行業的生產活動過程中，往往會排放大量的惡臭性氣體，其產生的主要原因是因為制造工藝所需的VOCs溶液未經合格處理就擴散至空氣中。另外，用于生產無機輔料和制藥產生的廢水中含有的氨氣、酸性氣體等也是惡臭性氣體的主要組成部分。

1.1 醫藥化工揮發性有機物（VOCs）和惡臭氣體的排放來源及組成

目前，在我國醫藥化工行業中，VOCs有機廢氣和惡臭氣體的主要來源包括以下方面[2]：

（1）在醫藥原材料的加工和生產過程中，其使用的有機溶液會揮發至大氣中；

（2）在醫藥生產階段，由于粉碎工藝而導致的細小藥物粉塵也揮發至大氣中；

（3）各生產車間在醫藥的生產過程中以及其他公用工程排放的無序廢氣。

因此，醫藥化工行業中排放的VOCs和惡臭氣體主要包括苯系物、有機胺、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、丁酮、乙醚、二氯乙烷、醋酸、氯仿等。

1.2 醫藥化工行業揮發性有機物（VOCs）和惡臭氣體對生態環境的危害

1.2.1 VOCs對環境的影響

截至目前，學術界和工程界普遍認為VOCs有機廢氣對環境的影響主要是降低空氣能見度、改變氣候以及破壞臭氧層等。首先，VOCs在大氣中會因為光化學反應而產生煙霧，并與部分未發生反應的VOCs共同形成霧霾，使空氣的能見度降低；其次，VOCs在大氣中還會與相應物質發生化學反應而生成酸性物質，造成酸雨現象，且進一步與大氣中的NH4+離子形成硝酸或硫酸銨晶體，提高了大氣層的反射率，導致大氣環境的溫度變低；最后，VOCs中的氟氯烴和氟烴等物質會在平流層與太陽輻射高能光子發生物理反應而產生游離氯原子，以此對臭氧層產生嚴重破壞。

1.2.2 VOCs對生物的影響

經大量研究表明，VOCs可對生物產生明顯的危害。首先，當VOCs發生光化學反應時，會增加空氣中的臭氧濃度，從而刺激生物的呼吸系統、破壞生物皮膚、影響生物的中樞神經和免疫系統；其次，VOCs中的氟利昂等物質會導致臭氧層稀薄，使生物受到的紫外線輻射增加；最后，VOCs中的苯和甲醛等物質因其具有強烈的毒性和惡臭氣味，對生物的呼吸道系統和神經系統會產生強烈的刺激，且具有一定的致癌性。

2 活性焦（炭）吸附法技術原理

活性炭屬于一種無定型炭，其主要是由植物、礦物和含碳廢料通過一定工藝（如破碎、篩選和活化等）加工制造形成的一種多孔隙微觀結構、高比表面積和強吸附力的工業吸附材料。而活性焦是利用褐煤為原料生產的具有大量功能基團的中孔豐富的碳吸附材料，其具有高度發達的孔隙構造。活性焦的多孔結構為本身提供了大量表面積，使其與氣體（雜質）充分接觸，從而賦予了活性炭特有的吸附性能。以上這兩種材料均被廣泛應用于工業廢氣凈化中。

2.1 活性焦（炭）吸附原理

活性焦（炭）對VOCs和惡臭氣體的吸附原理主要是依靠不同分子的濃度不同，而在界面發生的導向性移動作用。活性焦（炭）的表面存有不規則結構的碳分子集，較大的表面積與孔壁分子可形成一個具有高壓環境的分子吸附場。另外，在活性焦（炭）的微觀結構中，由于其具有較為發達的微孔隙結構，從而在范德華力的作用下能使不同的吸附場產生升疊加效應，進一步提高了吸附能力。而針對活性焦（炭）對VOCs和惡臭氣體的吸附過程，一般情況下是：首先，吸附對象（液化廢氣）是以流體的形式與活性焦（炭）的表面開始接觸（膜擴散）；其次，與表面接觸的吸附對象進入到活性焦（炭）表面的微孔隙之中（表面擴散）；隨后，吸附對象經表面微孔隙進入到活性焦（炭）的內部微孔洞之中（孔擴散）；最后，吸附對象在活性焦（炭）的微觀結構中以穩定狀態填滿其內部的微孔洞，以此完成吸附過程（吸附）[3]。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 活性焦（炭）的吸附流程

在實際應用中，活性焦（炭）對VOCs和惡臭氣體的吸附可以分為物理吸附和化學吸附。物理吸附主要是應用在較低溫度時，由范德華力產生作用，該方法具有定向性和可逆性的特點；而化學吸附主要是應用在較高溫度時，由活性焦（炭）表面與吸附對象之間的分子化學鍵產生作用，該方法具有選擇性和不可逆性的特點。經研究發現，活性焦（炭）的吸附能力與壓力、VOCs和惡臭氣體的濃度成正相關關系；在溫度為-30～40oC時，其表現為正相關關系，而當溫度超過40oC時，則表現為負相關關系。

2.2 活性焦（炭）再生原理和方法

2.2.1 活性焦（炭）的再生原理

活性焦（炭）的再生是指利用一定的技術和工藝對處于飽和吸附狀態而喪失活性的活性焦（炭）進行加工，恢復其吸附能力，以達到循環利用的目的。一般情況下，再生活性焦（炭）的技術要求需要滿足其達到最初吸附性能的90%以上，強度和韌性損失率不超過10%。

2.2.2 活性焦（炭）的再生方法

目前，活性焦（炭）的再生主要依靠脫附和吸附質分解。

（1）脫附是指改變飽和活性焦（炭）的環境壓力、溫度和通過化學方法對吸附的物質進行脫離的過程。改變壓力是指利用活性焦（炭）在低壓中吸附能力較弱的特點對其進行脫附操作；而對于改變溫度而進行脫附的方法，一般是采用加熱后的高溫惰性氣體和水蒸氣對其進行脫附；化學方法脫附主要是利用化學試劑對活性焦（炭）所處環境的pH值進行調節，以及改變活性焦（炭）與吸附物質的親和性進而達到脫附的效果。該方法一般針對于吸附對象為高濃度與低沸點的VOCs和惡臭氣體的飽和活性焦（炭）。在實際應用中，該方法又分為反應再生法和溶劑再生法。反應再生法主要利用無機酸和堿對活性焦（炭）進行脫附，而溶劑再生法主要是利用苯和丙酮等有機溶液對吸附物質進行萃取。

（2）吸附質分解主要針對于吸附某些分子量和沸點較高物質的飽和活性焦（炭），而脫附方法無法使其再生，是利用吸附質分解的方法。目前，常用的吸附質分解方法主要包括高溫高氧化氣體法、氧化氫和臭氧等高氧化劑法等。

此外，隨著科技的不斷進步，一些新型的活性焦（炭）再生方法也逐漸被應用到相應的凈化項目中，主要包括生物再生法、光催化再生法、電化學再生法、超臨界流體萃取再生法、微波和超聲波再生法等，在一定程度提高了活性焦（炭）的再生效率以及經濟效率。

3 活性焦（炭）吸附法的工藝流程

目前，針對不同的VOCs和惡臭氣體，根據其組分和含量的不同一般采用下面三種活性焦（炭）吸附法的工藝流程[4]。

3.1 循環塔+UV光解+活性焦（炭）吸附法

該工藝主要應用于對固化爐產生的濃度較低的VOCs和惡臭氣體進行凈化處理。具體工藝流程是，首先，VOCs和惡臭氣體由引風機推進UV光解凈化器，使其被含有催化劑的高能高臭氧的UV紫外線光束分解（光解）為小分子有機物，以增加活性焦（炭）內部空隙對VOCs和惡臭氣體的吸附數量；隨后，經過分解處理的小分子VOCs和惡臭氣體進入循環塔（由旋流板組成）中，使其充分與活性焦（炭）的表面進行循環接觸并完成吸附；最后，將處理后的廢氣排放至大氣中。

3.2 預處理+活性焦（炭）吸附+脫附冷凝回收法

該工藝的適用性較高，可完成多數醫療化工生產活動產生的VOCs和惡臭氣體的凈化。具體工藝流程是，首先，VOCs和惡臭氣體通過引風機的作用進入預處理槽，通過一系列篩離、溫度和濕度的調節工藝使其更容易被活性焦（炭）吸附；其次，VOCs和惡臭氣體經引風機的作用被運輸至活性焦（炭）吸附機床和脫附機床，經吸附處理后的廢氣直接排向大氣中，而飽和活性焦（炭）則在脫附機床中進行脫附再生。且在脫附機床中，再使用惰性氣體對飽和活性焦（炭）進行置換，并應用脫附加熱設施和分流冷凝設施對其進行熱脫附再生和冷凝回收。

3.3 水噴淋+干式過濾器+活性焦（炭）吸附+催化燃燒法

該工藝主要是應用于具有大量苯類物質的VOCs和惡臭氣體的凈化處理。具體工藝流程是，首先，VOCs和惡臭氣體經過水噴淋裝置消除塵霧，并通過干式過濾器對其水分進行過濾；隨后，在完成上述預處理后，VOCs和惡臭氣體被引風機直接導入活性焦（炭）機床中行吸附處理，經處理后的廢氣直接排向大氣；最后，通過熱脫附的方法對飽和活性焦（炭）進行脫附，并對脫附出的VOCs和惡臭氣體運送至含有催化劑的焚燒室進行燃燒，待燃燒充分完成后，直接排向大氣。在該處理工藝中，活性焦（炭）機床與上述工藝一樣，可分別設置吸附機床和脫附機床。

4 活性焦（炭）干法在醫藥化工行業廢氣處理中的應用

本文以浙江朗華制藥有限公司廢氣活性焦吸附深度處理項目中對活性焦（炭）的應用進行說明。

該項目設計廢氣進氣量為40 000 m3/h，其廢氣類型和來源主要為蓄熱式氧化爐（RTO）系統初步處理后的車間廢氣。而對于通過入口主管道進入活性焦吸附系統的廢氣污染物指標參數，其設定為非甲烷總烴≤120 mg/m3，經處理后的廢氣污染物指標參數依據《制藥工業大氣污染物排放標準》（GB37823-2019）中的相關規定，非甲烷總烴（NMFHC）≤60 mg/m3，臭氣濃度≤800，通過排氣筒直接排放。其中，非甲烷總烴指除甲烷以外的碳氫化合物（其中主要是C2-C8），主要包括烷烴、烯烴、芳香烴和含氧烴等組分，在線監測指標包含非甲烷總烴和其他特征因子，將數據上傳到環保局，非甲烷總烴質量濃度被作為廢氣排放點限值、廠界無組織排放限值和廢氣處理效率的評判依據。

該項目是具體采用活性焦吸附廢氣深度處理工藝對車間廢氣進行處理。首先，使用新建噴淋系統對車間高濃度廢氣進行預處理并運送至RTO系統，使其在800～870oC環境下焚燒生成CO2和H2O；其次，利用噴淋系統對氣體進行處理后，再利用除霧除濕裝置對其進行除霧除濕；最后，使用活性焦吸附系統對上述處理后的有機廢氣進行深度吸附，以有效去除異味和臭味，再將處理達標后的廢氣通過25 m的高煙囪排放至大氣，同時，將吸附飽和后的活性焦運往再生中心進行再生處理。

在本項目中，VOCs主要是通過活性焦（炭）吸附進行去除，其出口濃度是判斷吸附脫附切換周期的關鍵點。通過檢測其脫附開始前設備的出口濃度，經調試運行確定整套設備符合設計要求，達到了理想的運行效果。

5 結語

綜上所述，隨著我國醫療行業的快速發展，其排放的含有揮發性有機物（VOCs）和惡臭氣體的廢氣總量也在逐漸增加，這些廢氣對生態環境造成了嚴重的危害，因此，如何對其進行有效的凈化處理，已成為學術界關注的重要課題。在針對上述廢氣的凈化處理中，活性焦（炭）吸附技術具有生產成本低、凈化效率高和可再生性強等優點，該技術被廣泛應用并取得了良好的效果。所以，本文結合工程實例對活性焦（炭）吸附技術對醫療廢氣凈化的原理和工藝進行了詳細的介紹和討論，旨在為推動我國醫療廢氣凈化事業發展作出相應貢獻。