當前我國VOCs排放涉及的行業(yè)廣，且各行業(yè)排放的VOCs種類繁多、成分復(fù)雜，常見的有烴類、醇類、醚類、酯類等。加油站、裝修、餐飲、干洗、噴涂、化工等生產(chǎn)或使用有機溶劑的行業(yè)都會產(chǎn)生VOCs排放。此外，VOCs治理技術(shù)體系復(fù)雜，涉及十多種技術(shù)及組合技術(shù)，一般一個環(huán)保治理企業(yè)只能掌握一種或幾種技術(shù)。

目前工業(yè)VOCs治理的主流技術(shù)之一：活性炭吸附技術(shù)！

活性炭是應(yīng)用最廣泛的吸附劑，其生產(chǎn)和使用可以追溯到19世紀?；钚蕴恐员粡V泛使用主要是因其具有大量的微孔和中孔，且表面積巨大。典型活性炭的孔徑分布及其與其他吸附劑的比較如下圖所示。

圖源《吸附劑原理與應(yīng)用》，[美]Ralph T.Yang著

據(jù)了解，活性炭吸附技術(shù)是VOCs治理的主流技術(shù)之一，技術(shù)成熟、簡單易行、治理成本低、適應(yīng)范圍廣，在所有的治理技術(shù)中占有非常大的市場份額，在涂裝、包裝印刷、石油化工、化學(xué)品制造、醫(yī)藥化工和異味治理等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

但由于業(yè)內(nèi)人員對活性炭的基本性能、活性炭吸附技術(shù)的適用范圍和使用條件等缺乏規(guī)律性認識，在活性炭選型、工藝設(shè)計和凈化裝備設(shè)計中存在較大隨意性，造成凈化設(shè)備效率低，存在安全隱患，活性炭再生更換困難等問題。市場上很多環(huán)保公司對活性炭吸附技術(shù)過于低估（簡單誤認為活性炭吸附技術(shù)無非就是簡單的吸附—脫附）。

行業(yè)的種種不規(guī)范及工藝混亂，導(dǎo)致目前不少地方環(huán)保主管部門陷入了“聞炭色變”的誤區(qū)。滿足當前國內(nèi)VOCs污染實際治理工程的實際需要，正確引導(dǎo)行業(yè)規(guī)范活性炭在揮發(fā)性有機物（VOCs）凈化中的應(yīng)用，顯得至關(guān)重要。

 吸附法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的吸附分離與凈化，對于高濃度的有機氣體，一般情況下首先需要經(jīng)過冷凝等工藝進行“降濃”處理，然后再進行吸附凈化。對于“油氣”等高濃度VOCs氣體的凈化，也可以采用吸附法（降壓解吸再生），但對活性炭有一些特殊的要求。

廢氣的預(yù)處理

（一）污染物濃度要求

除溶劑和油氣儲運銷裝置的有機廢氣吸附回收外，進入吸附裝置的有機廢氣中有機物的濃度應(yīng)低于其爆炸極限下限的25%。當廢氣中有機物的濃度高于其爆炸極限下限的25%時，應(yīng)使其降低到其爆炸極限下限的25%后方可進行吸附凈化。

對于含有混合有機化合物的廢氣，其控制濃度P應(yīng)低于最易爆炸組分或混合氣體爆炸極限下限值的25%，即P<min(Pe ,Pm)×25%，Pe為最易爆組分爆炸極限下限值（%），Pm為混合氣體爆炸極限下限值，Pm按照下式進行計算：

Pm=(P1+P2+…+Pn)/(V1/P1+V2/P2+…+Vn/Pn)      

式中：

Pm  ——混合氣體爆炸極限下限值，%

P1，P2，…，Pn  ——混合有機廢氣中各組分的爆炸極限下限值，%

V1，V2，…，Vn  ——混合有機廢氣中各組分所占的體積百分數(shù)，%

n  ——混合有機廢氣中所含有機化合物的種數(shù)。

（二）氣體溫度要求

進入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃。

(三)廢氣濕度對活性炭吸附性能的影響

1、由于活性炭表面通常含有大量的含氧基團，一般活性炭均具有較強的吸水能力，與有機物產(chǎn)生競爭吸附作用。

2、活性炭中含有灰分（金屬氧化物），提高了其吸水能力。

如何提高活性炭的疏水性能

（1）原材料的影響：如煤種的影響、瀝青基球型活性炭具有較好的疏水能力；

（2）高碘值活性炭（揮發(fā)份低）的疏水能力通常要優(yōu)于低碘值的活性炭； 

（3）對活性炭進行表面疏水改性，去除或減少表面含氧基團、降低灰分（金屬氧化物）。

（四）顆粒物的含量要求

進入吸附裝置的顆粒物含量宜低于1mg/m3。

粉塵：細顆粒物（化工、家具等）

漆霧顆粒物（形成氣溶膠）：影響最大

絮狀顆粒物：印刷、橡膠、化纖等生產(chǎn)過程產(chǎn)生

（五）廢氣成分的影響

1、活性炭的“中毒”（或劣化）：

高沸點（或“半揮發(fā)性”）物質(zhì)再生困難，在活性炭上聚集，如硅烷、油脂等化合物，需要通過冷凝、過濾、吸附等預(yù)處理首先進行去除；

發(fā)生聚合反應(yīng)，造成在活性炭上聚集，如甲醛、苯乙烯等；

二硫化碳（硫化氫）等吸附反應(yīng)形成單質(zhì)硫的聚集。

在吸附氣體中即使含有微量的高分子物質(zhì)或聚合性物質(zhì)，在活性炭中聚集，也會很快引起活性炭吸附性能急劇下降。

2、活性炭的反應(yīng)活性（催化性）：

活性炭表面具有催化活性，會與一些化合物部分進行氧化、水解等催化反應(yīng)。

典型反應(yīng)：

（1）乙酸乙酯、乙酸丙酯等易發(fā)生水解反應(yīng)形成有機酸；

（2）MEK（甲乙酮）、MIBK（甲基異丁基酮）易被氧化形成有機酸和丁二酮；環(huán)己酮氧化或聚合形成環(huán)亞己基環(huán)己酮；

（3）甲醛、苯乙烯等易發(fā)生聚合反應(yīng)；

（4）其他：如樹脂生產(chǎn)中的添加劑帶入二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺在活性炭上會發(fā)生水解生產(chǎn)二甲胺，造成臭氣排放問題。

造成的問題：

（1）回收的溶劑變色、發(fā)臭（如包裝印刷廢氣）；

（2）聚合后難再生，造成活性炭中毒（劣化）

（3）反應(yīng)放熱，造成活性炭著火。

基本工藝流程

1、工藝流程圖

2、工藝說明

車間有機廢氣通過吸氣罩收集，在排風(fēng)機作用下，經(jīng)過管道輸送進入干式過濾器，再進入活性炭吸附裝置，有機污染物被活性炭吸附，凈化后的氣體經(jīng)風(fēng)機增壓后達標排放。活性炭吸附飽和后，請專業(yè)廠家再生后回用。

3、活性炭的吸附原理

a.吸附現(xiàn)象是發(fā)生在兩個不同的相界面的現(xiàn)象，吸附過程就是在界面上的擴散過程，是發(fā)生在固體表面的吸附，這是由于固體表面存在著剩余的吸引而引起的。

吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附；物理吸附亦稱范德華吸附，是由于吸附劑與吸附質(zhì)分子之間的靜電力或范德華引力導(dǎo)致物理吸附引起的，當固體和氣體之間的分子引力大于氣體分子之間的引力時，即使氣體的壓力低于與操作溫度相對應(yīng)和飽和蒸氣壓，氣體分子也會冷凝在固體表面上，物理吸附是一種吸熱過程。

化學(xué)吸附亦稱活性吸附，是由于吸附劑表面與吸附質(zhì)分子間的化學(xué)反應(yīng)力導(dǎo)致化學(xué)吸附，它涉及分子中化學(xué)鍵的破壞和重新結(jié)合，因此，化學(xué)吸附過程的吸附熱較物理吸附過程大。

在吸附過程中，物理吸附和化學(xué)吸附之間沒有嚴格的界限，同一物質(zhì)在較低溫度下往往是化學(xué)吸附?；钚蕴坷w維吸附以物理吸附為主，但由于表面活性劑的存在，也有一定的化學(xué)吸附作用。

b.活性炭對廢氣吸附的特點：

（1）對于芳香族化合物的吸附優(yōu)于對非芳香族化合物的吸附。

（2）對帶有支鍵的烴類物理優(yōu)于對直鏈烴類物質(zhì)的吸附。

（3）對有機物中含有無機基團物質(zhì)的吸附總是低于不含無機基團物質(zhì)的吸附。

（4）對分子量大和沸點高的化合物的吸附總是高于分子量小和沸點低的化合物的吸附。

（5）吸附質(zhì)濃度越高，吸附量也越高。

（6）吸附劑內(nèi)表面積越大。吸附量越高。

4、活性碳纖維

以新型吸附材料—活性碳纖維（ACF）為吸附劑的吸附法是近幾年發(fā)展起來的一種新型的有機廢氣回收方法，被認為是最有效的回收凈化有機廢氣的新方法，近年來已引起廣大研究工作者和相關(guān)企業(yè)的極大關(guān)注。與傳統(tǒng)的活性炭相比，活性碳纖維具有以下優(yōu)異特性：

1) 比表面積大，有效吸附容量高；

2) 吸附、脫附快，能耗低，容易再生；

3) 強度高、壽命長；

4) 形狀多樣，便于工程應(yīng)用；

5) 可吸附低濃度氣體；

6) 吸附選擇性強。

5、活性碳纖維有機廢氣回收裝置

以活性碳纖維有機廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例，分析其設(shè)備組成、工藝流程及技術(shù)特點。

設(shè)備組成

吸附設(shè)備由引風(fēng)風(fēng)機、表冷器、過濾器、吸附器、分層槽等組成，整個系統(tǒng)的運行由PLC程序控制，自動切換吸附器，使之交替進行吸附、解吸和干燥工藝過程的操作。

工藝流程

揮發(fā)性有機氣體先經(jīng)過一定的前處理裝置，再經(jīng)過濾器進一步去除尾氣中的雜質(zhì)，以保證這些雜質(zhì)不占用活性碳纖維的孔隙，影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命；過濾后的尾氣經(jīng)風(fēng)機引入吸附設(shè)備。

吸附了一定數(shù)量有機溶劑的活性碳纖維，用飽和水蒸汽進行解吸，解吸完成后將通過過濾的外界空氣送入吸附器由風(fēng)機進行干燥，使活性碳纖維床層冷卻并去除殘留的蒸汽，使活性碳纖維保持較高的吸附效率。干燥好的吸附器進入下一工作程序循環(huán)進行吸附。

解吸出的含有機物的混合蒸汽進入冷凝器中進行一級冷凝，冷凝液再經(jīng)板式冷凝器冷卻，經(jīng)過冷凝的有機物和冷凝水進入分層槽，經(jīng)重力分層，上層的有機物自動溢流至儲槽，然后經(jīng)輸送泵送到吸附回收設(shè)備；下層的冷凝水排入廢水處理系統(tǒng)。

6、技術(shù)特點

（1）結(jié)構(gòu)合理

吸附芯為籠型結(jié)構(gòu)，具有活性碳纖維用量少，處理風(fēng)量大的特點，可大幅度降低有機廢氣處理成本。

（2）吸附率高

由于活性碳纖維的比表面積特性，決定了其吸附率可高達95%以上。采用專利技術(shù)可以實現(xiàn)多級吸附，可以達到極高的吸附率，是目前國際上能夠達到苛刻的環(huán)保排放要求的吸附裝置。

（3）運行能耗低、費用低

由于活性碳纖維的脫附、再生能耗低，再加上活性碳纖維纏繞芯的氣流阻力小、風(fēng)機功率小，所以在運行中活性碳纖維有機廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均比較低。

（4）全自動控制、無人值守運行

采用可編程序控制器中央控制，集成電磁閥、托氣缸執(zhí)行動作，可靠性高。按照工藝流程設(shè)計的模擬盤顯示，運行狀況可以一目了然，并設(shè)計有故障檢測及指示功能?？煽啃詮?、操作簡單、便于維護。

（5）安全可靠、適用于有爆炸危險場所

采用防爆風(fēng)機、防爆泵?？刂乒?、氣動柜采用正壓防爆技術(shù)，外部信號通過安全柵連接，系統(tǒng)接地，確保了裝置的安全性。

組合工藝流程

實際的廢氣治理過程中，單一的活性炭吸附工藝會造成活性炭飽和速度過快，處理效果不穩(wěn)定。因此大多數(shù)情況下都是與其他處理工藝組合使用。

1、旋流板塔+UV光解+活性炭吸附工藝

此工藝多用于處理低濃度有機廢氣，在烘干固化爐產(chǎn)生的有機廢氣中應(yīng)用較多。

其主要工藝流程為：廢氣在引風(fēng)機的作用下，通過管道輸送，以切線從底部進入旋流板洗滌凈化塔，在離心力的作用下，呈螺線形氣旋上升，達到旋流板時，由于受數(shù)量足夠多的傾角為25°的旋流葉片的切割作用，產(chǎn)生更大的離心力，與從上向下噴成霧狀的循環(huán)液滴接觸，氣液得到充分的混合，氣體中剩余的油霧顆粒物被循環(huán)液吸收，隨水流進入循環(huán)水池。

經(jīng)旋流板洗滌凈化塔后的氣體進入UV光解凈化器。該設(shè)備以二氧化鈦作為催化劑，與紫外線、空氣接觸反應(yīng)產(chǎn)生臭氧，利用臭氧對有機物進行氧化分解;同時大分子有機物在紫外線作用下轉(zhuǎn)化為小分子化合物或者發(fā)生反應(yīng)，生成水和二氧化碳，污染物得到去除。

因UV光解凈化效率相對較低，為了保證廢氣能穩(wěn)定達標排放，在其后增加活性炭吸附器作為最終的把關(guān)處理，保證油霧顆粒物和總VOCs等長期穩(wěn)定達標，最終凈化氣體。因經(jīng)前處理后，廢氣中VOCs的濃度已很低，且顆?；钚蕴吭谖接袡C物的同時吸附等離子體，被吸附的有機物在活性炭纖維的孔隙內(nèi)被等離子體分解，一定程度上延長了活性炭吸附飽和的時間和使用壽命。

為保證處理效果，噴淋水循環(huán)使用一段時間后須更換，廢水中含有污染物質(zhì)，需配套污水處理設(shè)備進行處理。該工藝優(yōu)點是操作簡單，易于管理，投資造價較低。缺點是活性炭更換次數(shù)較頻繁，運行費用較高。

2、水噴淋+干式過濾器+活性炭吸附+催化燃燒

此工藝多用于噴漆、烘漆VOCs廢氣，主要污染物為苯、甲苯與二甲苯、總VOCs。

含有機物的廢氣經(jīng)風(fēng)機的作用，首先經(jīng)過水噴淋將大部分漆霧去除后進入干式過濾器，干式過濾器一方面可以去除氣體中的水分，另一方面可以進一步攔截部分顆粒物，保護后續(xù)活性炭處理設(shè)施。預(yù)處理后的氣體進入活性炭吸附箱，通過吸附作用，有機物質(zhì)被截留在其內(nèi)部，處理達標的氣體經(jīng)煙囪高空排放。

運行一段時間后，活性炭達到飽和狀態(tài)，吸附作用失效，此時有機物已被濃縮在活性炭內(nèi)。按照PLC自動控制程序，

催化氧化設(shè)備自動升溫將熱空氣通過風(fēng)機送入活性炭床使碳層升溫將有機物從活性炭中“蒸”出，脫附出來的廢氣屬于高濃度、小風(fēng)量、高溫度的有機廢氣。該部分氣體進入催化燃燒室，在催化劑作用下燃燒后徹底凈化，完成脫附過程。再通過熱交換器將凈化后的氣體降溫，最后經(jīng)風(fēng)機引高空排放。

為了保證處理流程的連續(xù)性，該工藝中活性炭箱一般采用一用一備，當其中一個炭箱處于脫附狀態(tài)時，另外一個處于吸附狀態(tài)，通過控制程序自動切換，交替使用。值得注意的是，脫附過程中要嚴格按照操作規(guī)范進行，注意控制燃燒溫度，避免因操作不當導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故。

由于某些物質(zhì)，如氯離子，對脫附所用催化劑具有毒害作用，會造成催化劑“中毒”而失去催化作用，因此活性炭吸附+催化燃燒工藝不適用于處理含氯離子等對催化劑有毒害作用成分的氣體。

該工藝特點為：

⑴有機廢氣具有起燃溫度低的特點，因此不需要大量的能耗。而且當催化燃燒達到一定的起燃溫度后，依靠自身熱量便可以滿足要求，不再需要外界提供熱源;

⑵應(yīng)用的范圍比較廣泛，對多種成分的廢氣都具有良好的處理效果;

⑶處理效率與其他工藝相比較高，凈化效率可以達到95%甚至以上，而且最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，沒有二次污染物產(chǎn)生;且由于燃燒溫度低,能大量減少NO X 的生成,因此也大大減少了二次污染;

⑷活性炭可重復(fù)使用，延長換炭周期，即減少危險廢物的產(chǎn)生量，對改善大氣環(huán)境具有重要意義;

⑸自動化程度高，操作簡單方便，運行安全穩(wěn)定，有效減少了污染物對環(huán)境的影響。

⑹缺點是投資較大，對操作人員素質(zhì)要求較高。

吸附成本分析

為方便操作，活性炭飽和期限定為一個月，按每天8小時工作制，減去4個星期天，則總時間為208小時。

假設(shè)：廢氣總流量Q=10000m3/h

污染物甲苯的質(zhì)量流量為m=10000m3/h×2×10-5=0.2kg/h

則一個飽和期內(nèi)所需吸附的甲苯量為：m1=208×0.2=51.6(kg)

所需活性炭量為：M≈0.14噸

按上述公式，活性炭吸附裝置所需的活性炭用量如下：Q為廢氣處理總流量

1、Q=20000m3/h   約0.28噸活性炭
2、Q=30000m3/h   約0.4噸活性炭
3、Q=40000m3/h   約0.56噸活性炭
4、Q=50000m3/h   約0.7噸活性炭
5、Q=60000m3/h   約0.84噸活性炭
6、Q=70000m3/h   約0.98噸活性炭
7、Q=80000m3/h   約1.12噸活性炭

按一個月（208小時）運行計算，每噸中等品質(zhì)的活性炭以6000元/噸計，則活性炭吸附裝置的運行費用為：
1、Q=20000m3/h   0.28×6000=1680元
2、Q=30000m3/h   0.4×6000=2400元
3、Q=40000m3/h   0.56×6000=3360元
4、Q=50000m3/h   0.7×6000=4200元
5、Q=60000m3/h   0.84×6000=5040元
6、Q=70000m3/h   0.98×6000=5880元
7、Q=80000m3/h   1.12×6000=6720元

結(jié) 語：活性炭吸附工藝是一種傳統(tǒng)的治理工藝，其因為投資小、處理效果穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用。在使用過程當中需要注意的是廢舊活性炭屬于危險固體廢物，應(yīng)交由有資質(zhì)的第三方公司回收處理。有機廢氣處理的治理工藝還有很多種，應(yīng)從使用的實際情況出發(fā)，選用合理的工藝，以保證有良好的處理效果。