優化吸附法處理工業VOCs廢氣研究

劉本宇,孟凡召

(山東華宇工學院,山東 德州 253000)

0 引言

空氣污染已成為全球性問題,而其中揮發性有機物(VOCs)是影響人類健康、造成大氣污染、引起氣候變化的重要物質。在氣壓101.32 kPa下,該有機化合物的沸點為50 ℃～250 ℃,即揮發性有機物。在工業生產中會產生大量的VOCs廢氣,包括化工、涂裝、印刷、紡織印染、電鍍等行業。

VOCs廢氣會對人體健康及自然環境產生嚴重的危害,包括但不限于空氣污染、臭氧層破壞及溫室效應等。例如:太陽紫外線照射下,VOCs廢氣中含有的烴類化合物及氨氮化物等污染物會經歷一系列復雜的光化學反應,形成毒性較強的光化學煙霧,這種煙霧不僅含有致癌物質,還可能對臭氧層造成破壞,對全球氣候變化產生加劇作用[1]。VOCs是一種溫室氣體前體,可通過化學反應與其他大氣污染物產生臭氧及細顆粒物,從而對氣候及空氣質量產生負面影響。《巴黎協定》中規定,應將全球平均溫度升幅控制在工業化前水平的2 ℃以內,力爭將溫升控制在1.5 ℃以內,其目標旨在限制全球溫室氣體的排放,以應對氣候變化[2]。相關法律法規及標準對VOCs廢氣的處理與排放日趨嚴格,以保障公眾健康及環境安全,促進可持續發展[3]。可通過各種防治手段進行VOCs的處理,以減少VOCs的排放,其中吸附法是一種操作簡單且成本低廉的處理方法。VOCs種類繁多,成分復雜,根據化學組成和結構的不同可分為烷烴類、烯烴類、芳香烴類、鹵代烴類等20余類[4]。工業生產過程具有多樣性、復雜性,不同行業的廢氣特點也各不相同,這進一步增加了處理VOCs廢氣的難度及復雜性。利用吸附法處理VOCs廢氣時需綜合考量各類因素,選取合適的吸附材料,以達到最佳的吸附效果。

工業處理VOCs廢氣時,廢氣處理裝置安裝調試后即可投入使用,吸附劑只是按時更換或脫附,但因吸附劑使用壽命遞減、吸附環境及廢氣濃度變化等因素引起的VOCs廢氣處理不達標情況卻得不到及時處理。本研究以VOCs廢氣處理為研究對象,對常見吸附劑進行分析與選取,針對VOCs廢氣一次處理不達標的情況進行優化吸附設計。

1 吸附劑的選取

吸附法是處理VOCs廢氣的一種有效方法,常用的吸附材料包括活性炭、沸石分子篩、金屬有機骨架等。在選擇吸附材料時,需考慮廢氣中VOCs的種類及濃度、吸附材料的吸附性能、成本及再生性等因素。不同的吸附材料有著不同的吸附特性,需根據實際情況進行選擇。

1.1 活性炭

活性炭是一種常用的非極性吸附劑[5],具有良好的內部孔隙率及較大的比表面積[6],吸附容量大,機械強度好[5],熱穩定性與化學惰性高,可用于吸附C1～C12的多數揮發性有機物[7],包括醇類、醚類、醛類及烷烴等。在VOCs廢氣吸附中,活性炭作為一種低成本、效率高的吸附劑,得到了廣泛的應用。

1.1.1 吸附揮發性鹵代烴

鹵代烴具有特殊氣味及一定的毒性,會傷害人體的中樞神經系統、肝腎等臟器,部分鹵代烴還有致癌的危害。潘揚昌等[8]開展實驗,在300 ℃的環境下將三氯甲烷、四氯化炭、三氯乙烯、四氯乙烯、三溴甲烷分別以流量0.2 L/min的速度通過兩只活性炭吸附管,結果如表1所示,平均吸附效率均處于高水平狀態。

表1 活性炭吸附劑的測定結果Tab.1 Results of the determination of activated carbon adsorbent

1.1.2 活性炭吸附烷烴

石油化工是烷烴排放的重點領域,烷烴可在大氣中一定條件下發生某些化學反應,污染人類生存環境,影響人體健康。柳龍等[9]進行實驗設計,使用煤質顆粒活性炭及150 mm厚的炭層,測試其對小分子直鏈烷烴的吸附影響。在正戊烷、正己烷氣體濃度均為10 g/m3且氣體流速0.33 m/s的條件下,使用兩層活性炭可滿足更換吸附劑及達標排放的要求。在正庚烷、正辛烷氣體濃度均為10 g/m3且氣體流速0.33 m/s的條件下,可實現單層活性炭100%吸附操作,但對于正丁烷來說,至少需要三層設計,方可達標。

1.2 沸石分子篩

沸石分子篩作為一種傳統的吸附劑,具有大比表面積、規則的孔結構及可調的孔尺寸與親疏水性,被廣泛應用于VOCs廢氣處理中。與活性炭相比,沸石分子篩具有更高的熱穩定性、水熱穩定性及不可燃性,能夠有效解決活性炭易燃及再生困難等問題。目前,沸石分子篩在VOCs廢氣處理中結合轉輪吸附、蓄熱燃燒及催化燃燒等技術,已取得了顯著的應用效果[10]。

沸石分子篩的孔徑大小一般在0.3～1.0 nm,與VOCs分子的直徑尺寸基本匹配,這種孔徑大小的匹配為沸石分子篩的吸附性能提供了優越的基礎[11]。沸石分子篩材料是一類由硅氧四面體與鋁氧四面體通過共用氧原子連接而成的具有規則孔道結構的微孔晶體材料[12]。通過掃描電鏡分析可知,NaY型沸石分子篩具有致密、棱角分明的粒度分布,尺寸均勻,潔凈度及純度高,分散度較好,是一種擁有連續網絡結構的納米多孔材料。其比表面積大,微孔結構發達,對各種VOCs均具有卓越的吸附性能[13]。趙玥[14]采用常規浸漬法,以稀鹽酸為改性液,對13X型沸石進行酸改性,并在甲苯濃度為500 ppm、進氣流量為1.0 m3/h、填料厚度為90 mm、超重力因子為1.74的條件下進行吸附實驗。結果表明,經過酸改性的13X型吸附劑對甲苯的平衡吸附量顯著提高,從原來的12.88 mg/m3增加至22.22 mg/m3。

1.3 金屬有機骨架

金屬有機骨架材料(MOFs)是一類由金屬中心或金屬團簇與有機配體通過配位鍵連接而形成的高規整的配位網絡結構,其特有的多孔特征顯示出極強的氣體吸附能力,在VOCs氣體吸附中得到了廣泛應用[15-16]。MOFs材料比表面積一般為1000～10 000 m2/g(理論極限為14 600 m2/g),其巨大的比表面積有效增強了吸附性能,更大比表面積的MOFs材料仍在被不斷設計開發,以提高其實際應用潛力。

根據參考文獻[17],通過合成與測試發現,HKUST-1是一種高效吸附劑,對二氯甲烷和三氯甲烷表現出優異的選擇性吸附及分離性能。在298 K下,HKUST-1對二者的吸附量分別為13.12 mmol/g、8.53 mmol/g,相較于其他吸附劑,如活性炭和沸石等,HKUST-1的吸附量顯著提高。任柳芬等[18]在22 ℃條件發現,MOF-5對苯(802 mg/g)、二氯甲烷(1211 mg/g)、三氯甲烷(1367 mg/g)等VOCs具有優異的吸附性能,是沸石、活性炭等傳統吸附材料的4～10倍。

2 吸附系統設計

工業VOCs廢氣處理中,將廢氣集中送往廢氣收集系統,對廢氣的溫度、濕度、氣壓與濃度等參數進行測量。隨后廢氣進入預處理階段,為吸附過程提供有利條件。VOCs廢氣將進入吸附處理環節,結束吸附的VOCs廢氣濃度會再次進行檢測,達到排放標準時進行排放,若VOCs廢氣不達標,則廢氣將會被送回廢氣收集系統進行二次處理,以實現達標排放,減少因一次處理結果不達標而引起的環境污染。系統工作流程如圖1所示。總體吸附系統設計如圖2所示。

圖1 系統工作流程Fig.1 System workflow

1-廢氣收集系統 2-預處理系統 3-VOC廢氣吸附系統 4-再處理系統圖2 總體吸附系統設計Fig.2 Design of overall adsorption system

2.1 廢氣收集系統

在廢氣收集階段,對VOCs廢氣的風速、溫度、濕度、濃度等環境參數進行檢測。

對廢氣中各項參數的檢測有利于在預處理階段做出相應的改善。對VOCs廢氣濃度進行檢測,可保證在吸附完成時對凈化后的VOCs廢氣濃度有精確的對比,為排放達標提供原始數據。可通過VOCs污染物濃度的增減判斷生產過程中是否有操作不規范等問題,為加工技術改進提供數據指標。

2.2 預處理系統

工業產生的廢氣中可能不止含有VOCs廢氣,如在涂裝行業生產中會產生漆霧顆粒物等污染物,這些污染物可能會堵塞吸附材料(如活性炭)的孔隙,降低其吸附效率并縮短其使用壽命。當吸附材料的孔隙被堵塞時,會降低其吸附容量及選擇性,甚至導致不可修復的失效。預處理階段應采用過濾網對廢氣進行處理,去除廢氣中直徑較大的顆粒物,避免其對吸附劑孔徑造成堵塞,影響吸附效率及使用壽命。預處理措施可降低吸附劑受到顆粒物干擾的風險,提高吸附系統的運行效率及穩定性[19]。

在前一階段完成對VOCs廢氣的各項環境參數檢測,如果廢氣風速過低會影響下一階段的處理效率,需提高風機轉速,加大廢氣流速;如果溫度過低,則需提高VOCs廢氣溫度。

2.3 VOCs廢氣吸附系統

VOCs廢氣吸附是吸附法處理VOCs的核心環節,其目的是通過選擇合適的吸附劑及優化吸附箱結構,使廢氣與吸附劑充分接觸,將廢氣中的VOCs有選擇性地吸附到吸附劑表面,從而實現廢氣凈化目的。廢氣吸附系統設計應考慮以下問題:適當的吸附材料填充密度。吸附材料填充密度過大易造成阻力過大,影響廢氣流動;填充密度過小又會導致吸附材料之間的空隙增大,減少吸附材料的有效表面積。因此,適當的吸附材料填充密度是保證吸附效率的關鍵。吸附箱結構合理。合理設計的吸附箱結構可以確保廢氣在吸附劑中均勻流動,增加吸附材料與廢氣接觸的表面積,從而提高吸附效率。不同的吸附箱結構(如管式、平板式、多層式等)適用于不同的應用場景,具體選擇需根據實際情況進行。氣流分布均勻。在吸附箱內部布置導流板或隔板,能夠使氣流在吸附箱內部分布更加均勻,減少廢氣在吸附箱中的短路現象,從而提高吸附效率。吸附劑更換方便。吸附劑的使用壽命是有限的,合理設計吸附箱結構可使吸附劑的更換更加方便,降低更換成本及影響。

設計廢氣吸附裝置以提高廢氣處理效率為主要目的,在VOCs處理空間外部設有絕熱保溫層,以確保不會因環境溫度的不同而引起廢氣溫度逐漸降低,導致處理效果變差。在廢氣吸附系統中可再次提高廢氣的流速,保障吸附效果的最大化。

2.4 再處理系統

再處理也稱二次吸附,即對完成一次吸附的VOCs廢氣因各種因素引起的質檢不達標現象再次進行吸附操作。VOCs廢氣通過廢氣處理系統后,會對廢氣中VOCs濃度再次進行檢測,當符合排放標準時,可直接進行排放;若檢測不合格,則廢氣將重新回到廢氣收集系統,準備二次吸附操作,直至達標時方可排放。

工業處理時常會忽視此問題,間隔一段時間進行一次廢氣濃度檢測,查看是否做到達標排放,而不達標的情況只能在接下來的VOCs廢氣處理中解決,無法解決在此之前的不達標狀況,導致對環境及人體的危害風險大大提升。為解決此問題,再處理操作尤為重要。VOCs再處理階段的影響原因主要包括以下幾方面:吸附劑使用時間逐漸變長,導致吸附效果變差,距進風口的距離不同,吸附劑壽命也不同。此外,不同的吸附劑對VOCs的吸附效果不同,在同一次吸附處理中可能需要用到不同的吸附劑,會出現不同的吸附效果。因此在同一次吸附處理VOCs廢氣時,可能會出現部分VOCs濃度不達標的現象。需及時更換或脫附處理吸附劑,以確保吸附效率及系統的穩定性。

3 結論

近年來工業發展迅速,工業生產必然伴隨著大量的VOCs產生,令環境治理壓力增大。為實現高效的VOCs治理,需結合各工業排放特點,根據環境變化的特殊性,綜合分析VOCs的影響因素,以達到更好的處理效果。分析各吸附法處理的優勢,保證VOCs達標排放。實際處理過程中,可組合使用VOCs治理技術,降低VOCs的治理成本,為促進工業發展及環境治理注入新動力。