“活性炭吸附+催化燃燒”工藝在VOCs治理中的聯合應用研究

＊黃 玲

（福州市連江環境監測站 福建 350500）

活性炭吸附作為一種常見的VOCs控制技術，以其高效、經濟的特點受到了廣泛關注。活性炭能夠通過物理吸附將VOCs捕獲并固定在其表面，從而有效地降低其在大氣中的濃度。然而，僅僅依靠活性炭吸附還難以實現對VOCs的完全降解，因此需要進一步的處理手段。催化燃燒技術作為一種強有力的VOCs降解方法，通過在高溫條件下引入催化劑，將VOCs轉化為無害的水和二氧化碳。本研究將探索“活性炭吸附+催化燃燒”工藝的聯合應用，旨在充分利用活性炭吸附對VOCs的富集和催化燃燒對其降解的優勢，從而提高治理效率。

1.VOCs對環境和健康的影響

揮發性有機化合物（VOCs）是指在常溫下易于揮發和擴散的有機化合物，廣泛存在于各種源頭并流入自然環境。這些VOCs主要包括甲醛、苯、乙烯、甲苯以及丙烯等化學物質。鑒于VOCs對環境和健康的潛在且深遠的影響，對其進行深入探討具有重要意義。

（1）VOCs對環境的影響。VOCs對大氣層和地表環境產生直接或間接的影響，主要涉及臭氧層破壞機制。在大氣層中，VOCs與氮氧化物（NOx）結合，共同參與光化學反應過程，最終形成地面臭氧及其他不利于環境和人體健康的化合物。這種由VOCs和NOx共同引發的地面臭氧，對植物的生長發育及其生產能力產生負面影響，同時也會對人類和其他動物的呼吸系統構成威脅。此外，VOCs是光化學煙霧的重要組成部分，影響空氣質量，對大氣中的微粒物生成和擴散具有決定性作用。同時，VOCs是細顆粒物（PM2.5）的潛在前驅物質，而PM2.5是導致心血管疾病、呼吸道疾病等健康問題的重要因素之一。

在各種地表水體中，VOCs的無序排放可能導致水質污染，如工業生產排放、污水處理廠廢水和家庭日常清潔用品中的大量VOCs可能流入江河湖海，對水生動植物及整個生態平衡造成極大危害。

（2）VOCs對人體健康的潛在影響分析。揮發性有機化合物（VOCs）可能對人體健康產生廣泛而深遠的影響，特別是對呼吸系統、皮膚及整體健康狀況的影響。

呼吸系統方面：長時間處于高濃度VOCs的暴露環境中，可能導致咳嗽、喉部疼痛、支氣管炎和呼吸道感染等呼吸系統病癥。尤其是醛類VOCs，可能提高哮喘和慢性阻塞性肺部疾病（COPD）等呼吸系統疾病的發病率。

皮膚健康層面：暴露于部分種類的VOCs中，個體容易產生皮膚過敏、過度敏感乃至接觸性皮炎等健康問題。

在全球健康狀況上：長期接觸高濃度的VOCs會對人體健康產生影響，引發頭暈目眩、惡心嘔吐、疲乏無力等身體不適感。

特別需要關注的是，兒童、老年人以及免疫力相對較弱的群體在面對特定VOCs時，受到的影響程度更為明顯，可能引發更加嚴重的健康危機。

控制和治理VOCs的排放對于環境保護和空氣質量改善非常重要，其中活性炭吸附和催化燃燒是兩種常見的VOCs治理工藝。

2.活性炭吸附+催化燃燒工藝

（1）活性炭吸附原理。活性炭廣泛應用于工業和日常生活中，因發達的微孔結構和超大比表面積賦予其卓越的吸附性能，尤其在清除揮發性有機化合物（VOCs）等污染物方面。其微孔結構形成了巨大的吸附網絡，有效捕獲微小直徑的VOCs氣體分子。吸附機理主要依賴于氣體分子體積大小的選擇性吸附。吸附性能受活性炭特性、比表面積大小、顆粒大小、微孔結構和表面化學性質等多種因素影響。對于非極性或極性較弱的物質，活性炭表現出卓越的吸附性能。溫度是關鍵參數，低溫環境有助于提高吸附效率，但高溫下可能發生反應，導致吸附效率降低[1]。因此，處理VOCs氣體時，需控制適當的溫度，高溫環境下可使用120℃熱空氣解吸。接觸時間和速率也對吸附效果產生影響，長時間接觸有利于充分吸附VOCs氣體，緩慢流動可確保充分的接觸，提高吸附效率。VOCs氣體多樣性可能削弱活性炭吸附能力，選擇適當的氣體種類至關重要。前置過濾裝置可去除VOCs和粉塵，避免微孔堵塞，維持吸附性能。VOCs氣體水分含量是重要因素，水汽填充孔隙會影響其吸附能力，需要重視水分處理，調控氣體水分含量。

（2）活性炭脫附原理。活性炭能吸附VOCs氣體，但容量有限，會達到飽和狀態。達到飽和時，需更換或進行脫附處理。活性炭吸附濃縮及催化燃燒是脫附并催化燃燒VOCs的方法。其流程是：先用活性炭吸附VOCs，然后用熱空氣吹掃碳床，進行脫附和催化燃燒。處理后的氣體經熱量回收和溫度調節，再次進行脫附，形成循環。脫附溫度決定脫附效率，應高于VOCs組分的沸點，但溫度過低會使VOCs難以脫附，降低吸附性能。選擇脫附溫度時需考慮催化劑的耐熱性能和熱穩定性[2]。

（3）催化燃燒原理。催化燃燒技術通過利用低溫環境及優化設定條件，在200～400℃的范圍內實現有機物的完全氧化。該技術的優點在于無需點火且對低溫條件的要求較低，適用于特定濃度及熱值范圍的可燃組分。然而，由于催化劑成本較高且運行費用昂貴，其推廣和實際應用仍面臨諸多挑戰。

催化劑是催化燃燒系統的關鍵部件，能夠提升化學反應速率并準確引導反應過程。在選擇催化劑時，需要綜合考慮化學構造、幾何形狀、金屬構成和承載物等因素，制造過程需保持高度嚴謹。在處理揮發性有機化合物（VOCs）廢氣時，常用貴金屬如鉑、鈀等或氧化鋁載體作為催化劑[3]。

催化燃燒系統主要由廢氣預處理構件、預熱裝置和催化燃燒設備等關鍵部件組成。廢氣預處理裝置的主要目的是清除廢氣中的雜質和顆粒物，防止催化劑床層發生堵塞或中毒現象。預熱裝置需要將氣體加熱至點燃溫度，以促進催化燃燒過程的順利進行。催化燃燒設備通常采用固定床催化燃燒器，其設計需充分考慮廢氣類別、濃度和溫度等要素，以保證催化燃燒過程的高效執行。

（4）活性炭廢氣處理系統的主要處理工序與原理。首先，廢氣通過捕集裝置，確保進入設備的廢氣中不含大量雜質。然后，經過三層干式初效過濾棉（包括集風管內VOCs氈和浸膠樹脂棉、過濾床袋式過濾器以及集風管內頂棚過濾棉）的過濾，以確保得到的氣體符合清潔無害化的要求。活性炭或碳纖維將吸附廢氣中的污染物，將其轉化為對人體無害的氣體。

脫附再生環節主要是通過高溫氣體將活性炭床內吸附的VOCs組分脫附出來，以維持活性炭床的吸附能力。催化燃燒環節則是通過催化劑的作用，降低燃燒溫度，從而降低能耗，提高設備的運行效率[4]。最后，處理后的氣體將接入排放口進行排放，以確保排放氣體滿足國家和地區的排放標準。在這一復雜的處理過程中，活性炭吸附、脫附VOCs氣體的過程實質上是將大風量低濃度的廢氣濃縮成小風量高濃度的廢氣，從而提高設備的處理效率。采用催化劑輔助燃燒，有助于降低燃燒溫度，進一步降低能耗，實現節能效果。

3.活性炭吸附+催化燃燒系統方案

（1）系統原理。活性炭吸附+催化燃燒系統首先通過多級過濾，采用板框式過濾器進行一級過濾，有效去除較大顆粒物和固體雜質。然后，袋式過濾器進行二級過濾，深度過濾廢氣中的細小顆粒物和氣溶膠。最后進行三級過濾，對微生物和有害氣體進行更精細的過濾和凈化。

在完成三級過濾后，系統采用活性炭進行吸附操作。活性炭具有巨大表面積和微孔結構，在高溫高濕環境下能夠吸附廢氣中的有機物，實現廢氣凈化。當活性炭吸附達到飽和時，系統通過吹掃干熱空氣的方式進行脫附再生，使活性炭恢復其活性并增強系統的經濟效益和可持續性。在脫附過程中，廢氣中的有機物通過高溫加熱活性炭脫附，使活性炭重復利用[5]。

脫附后的廢氣進入催化法燃燒裝置，結合干熱空氣和催化劑效果，在高溫環境中發生催化氧化燃燒。該步驟徹底分解廢氣中的有機物，轉化為無害的水和二氧化碳，實現高效凈化。同時，催化燃燒裝置產生的熱量用于加熱活性炭吸附系統和預處理廢氣，提高整個系統的能源利用率。

“活性炭吸附+催化燃燒系統”通過整合干式過濾、活性炭吸附和催化燃燒等多個階段，充分利用各階段的特點，高效處理和凈化含有VOCs廢氣。采用多級過濾技術和活性炭吸附技術，系統能處理不同濃度和成分的廢氣，有效降低有機物質含量，滿足環保要求。催化燃燒技術確保有機物完全分解，使系統達到嚴格的排放標準。

（2）活性炭吸附+催化燃燒系統工藝流程。吸附階段：首先，系統利用干式過濾器對廢氣進行預處理，其次將其導入吸附床。廢氣中的有機成分會被活性炭吸附，最后經吸附風機處理后通過煙囪排放。

脫附階段：當吸附床接近飽和狀態時，活性炭需要再生。通過干熱空氣脫附，可讓活性炭得到再生并同時處理吸附床上的廢氣。再生后的廢氣濃度會增加至5～8倍，隨后送至催化燃燒裝置進行處理。整個過程旨在確保系統高效吸附和再生，處理活性炭得當[6]。

催化燃燒階段：揮發性有機廢氣以80～100℃的溫度進入催化燃燒階段。首先，通過氣-氣換熱器將其預加熱至180～200℃，然后進行電加熱至240～280℃。在催化劑層中進行催化氧化燃燒，生成水和二氧化碳。為了維持溫度在300℃左右，會將其預冷卻至120～140℃。脫附風機將廢氣送回吸附床，實現催化床的循環利用。催化床需要廢氣濃度大于2000mg/m3才能自燃，燃燒產生的大部分尾氣送回吸附床，小部分尾氣通過煙囪外排。

循環階段：為了提高穩定性和連續性，系統配置了A、B、C、D四個吸附床，每個床交替進行吸附和脫附運行。自動控制系統實現了床之間的自動循環，確保系統高效運行。

4.結論

本研究通過對活性炭吸附、脫附和催化燃燒原理的詳細探討，建立了綜合的廢氣處理系統，該系統通過多級過濾和活性炭吸附操作，將VOCs從大風量低濃度的廢氣中濃縮成小風量高濃度的廢氣，從而提高了廢氣處理的效率。

系統通過采用板框式過濾器、袋式過濾器和三級過濾等多級過濾技術，有效去除了廢氣中的顆粒物和氣溶膠，確保了進入活性炭吸附階段的廢氣的清潔度。活性炭吸附階段利用活性炭的超大比表面積和微孔結構，在高溫高濕環境下吸附廢氣中的有機物，實現了廢氣的凈化。而在活性炭達到飽和狀態時，通過吹掃干熱空氣的方式進行脫附再生，維持了系統的連續運行和活性炭的再利用。

引入催化燃燒技術，通過催化劑的作用降低燃燒溫度，提高了系統的能源利用效率。催化燃燒階段徹底分解了廢氣中的有機物，將其轉化為無害的水和二氧化碳，確保了排放氣體符合嚴格的國家和地區排放標準。催化燃燒產生的熱量還被有效利用于加熱活性炭吸附系統和預處理廢氣，實現了能源的再循環利用。