活性炭吸附有机废气技术分析

2018-11-10夏兰生

科技视界 2018年17期

关键词：活性炭技术

夏兰生

【摘要】本文介绍了活性炭及改性品的类型，分析了影响活性炭气体吸附的因素，介绍了活性炭吸附的预处理、再生、脱附气体的后处理方法，列举了典型的活性炭吸附有机废气流程，并提出了具体的环保要求。

【关键词】活性炭；脱附；技术

中图分类号： X701 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）17-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.008

0 前言

活性炭是一种优良的吸附剂，具有多孔结构、吸附容量大、速度快，可以有选择的吸附气相中的物质，而且吸附饱和后还可以再生利用，因此广泛应用于有机溶剂的回收、气体净化治理等。为了提高其特定的吸附性能，近几年改性活性炭的发展迅速。

在溶剂回收及净化气体治理中，首先根据吸附质的脱附难易程度判断采用活性炭吸附处理是否适宜，其次根据吸附质的种类和性质选择适宜的活性炭，此外，还需根据吸附质的浓度、吸附剂再生方式及脱附产物后处理方式确定适合的工艺流程。

为了达到最佳的吸附效果，在设计中还需要考虑影响活性炭吸附效果的因素、吸附设备的选用及相关标准规范等。

1 活性炭及改性品

活性炭是许多具有吸附性能的碳基物质的总称。活性炭不仅含炭，还含少量的氧和氢，例如羰基、羧基、酚类、丙酯类、醌类、醚类等。所有的含碳物质如煤、木材、果核、坚硬果壳及废纸浆等经过炭化、活化处理后成为活性炭，一般有颗粒状、粉状、蜂窝状及柱状等；活性炭纤维是一种新型的高性能活性炭吸附材料，是利用超细纤维制成，其吸附能力比传统活性炭高1～10倍。

为了提高活性炭特定的吸附性能，近几年改性活性炭迅速发展。改性活性炭一般有表面物理结构特性的改性和表面化学结构的改性。许多研究人员采用各种方法对传统活性炭的表面物理特性进行改性，增加微孔数量以进一步增大其比表面积。如用KOH活化石油焦制备改性活性炭；通过对普通煤质活性炭进行酸碱改性处理；对活性炭进行HNO3氧化处理；用微波处理得到改性活性炭等等。

2 活性炭吸附类型

活性炭的吸附有物理吸附和化学吸附。

物理吸附是由范德华力产生的，吸附质与吸附剂之间不发生化学反应，吸附过程快、可逆且无选择性，当气体中吸附质分压降低或温度升高时吸附质很容易脱附，实现了吸附质的回收及吸附剂的再生。

化学吸附是由于固体表面与吸附气体分子间的化学键力所引起的，吸附剂和吸附质之间发生化学反应，化学吸附具有选择性，常常是不可逆的。

吸附过程中，低温时主要是物理吸附，较高温度下往往是化学吸附，物理吸附常发生在化学吸附前，当吸附剂具有足够高的活性时，才发生化学吸附，也可能两种吸附同时发生。

3 影响活性炭吸附气体的因素

影响气体吸附的因素有很多，主要有以下几个方面。

3.1 活性炭性质

针对小分子有机物的吸附选择微孔较多的改性活性炭效果更好，对于单纯吸附大分子有机物选择传统活性炭或活性炭纤维更好，对于大小分子混合的有机物吸附选择活性炭纤维比较适合。

3.2 吸附质性质和浓度

吸附质的分子量、沸点和饱和性都对吸附量有影响。当采用同一种活性炭作吸附剂时，对于结构类似的有机物，分子量越大，沸点越高，则越易被吸附。对结构和分子质量相近的有机物，不饱和性越大越容易被吸附。

吸附质在气相中的浓度越大，则吸附量越大。但同时所用吸附剂增多，造成再生频繁。因此对于有机污染物浓度较高的气体不易直接采用吸附法处理。

3.3 操作条件

低温有利于物理吸附，而提高温度有利于化学吸附。活性炭有效吸附温度5～50℃。《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》要求进吸附塔的气体温度宜小于40℃。

气流速率要保持适中。若速率过大，不仅增大了压力损失，还会缩短气体与吸附剂接触时间，降低了吸附效率。若流速过低，会使设备增大，增加了投资。

据相关资料采用颗粒状吸附剂时，气体流速宜低于0.60m/s；采用纤维状吸附剂时，气体流速宜低于0.15m/s；采用蜂窝状吸附剂时，气体流速宜低于1.20m/s。吸附操作时，应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间。

3.4 吸附器设计

为了达到最佳的吸附效果，对吸附器的设计选择要满足以下要求：要有足够的气体流通面积和停留时间；要保证气流分布均匀，使所有的通气断面能得到充分利用；能有效的控制和调节操作温度；吸附剂要易于更换。

3.5 吸附剂的再生

吸附剂的再生也影响气体吸附过程。吸附质脱附的不彻底残留在吸附剂上，会影响下一步吸附操作。下表列出活性炭上易于再生和难以再生的物质。

表1 活性炭上易于再生和难以再生的物质

3.6 吸附剂浸渍

吸附剂浸渍的方法是预先将吸附剂在某些特定溶液中浸渍，再把吸附了特定物质的吸附剂进行干燥。用干燥后的吸附剂吸附氣态污染物，使吸附质与吸附剂表面上的特定物质进行化学反应。

3.7 吸附剂劣化

由于吸附剂的每一次再生吸附都会有些许残留，通过不断的累积会造成吸附容量的不断下降，这种现象称为吸附剂的劣化现象。当吸附剂的劣化程度超过设计值时，应考虑更换部分或全部吸附剂。

活性炭的使用周期一般1～2年，所有1～2年需对吸附剂进行清理，除去炭粉，补充新的活性炭，必要时全部更换。

4 活性炭吸附法的预处理

当有机废气中含有粉尘、水蒸气时需要设预处理设施，以除去这些物质。

当废气中颗粒物含量大于1mg/m3时，应先采用过滤、冷凝、洗涤等方式进行预处理；当废气中含有难以脱附物质或会造成吸附剂中毒成分时，应采用洗涤、预吸附等方式进行预处理；当有机废气浓度较高时在预处理中常设冷凝设施，以预先除去沸点高、浓度高的成分；对于废气中含易燃易爆成分时，要对废气进行冷凝或稀释处理，以使危险物质的浓度在其爆炸下限的40%以下。

5 活性炭再生

当吸附剂达到饱和时需进行再生操作，常用的再生方法有升温再生、降压再生、吹扫再生、置换再生和化学转化再生。

活性炭吸附有机气体常利用高温水蒸汽、热气流吹扫或降压等方法脱附再生。易溶于水的有机物不宜采用水蒸气脱附，因为后续需采用蒸馏等方法将有机物分离出来，比较麻烦，因此需考虑其他的脱附方法如热空气吹扫等。

当采用热气流再生时，热气流温度应低于120℃。含有酮类等易燃气体时，不得采用热空气再生。

6 脱附气体后处理

脱附出来的气体需进行后处理。应根据废气中有机物的组份、回收价值和处理成本等选择后处理方法，常采用冷凝回收、液体吸收、催化燃烧或高温焚烧等方法。

采用液体吸收、催化燃烧或高温焚烧等方法处理脱附气体时，尾气应达标排放。

7 活性炭吸附流程

活性炭吸附流程由预处理、吸附、再生、后处理四个工序组成。活性炭吸附净化有机废气大多采用固定床吸附设施，可采用单床、双床、三床制，一般还应设事故床。当不考虑吸附剂的再生时采用单床制。

根据吸附剂再生方式、脱附气体后处理方式的不同，可选用以下几个典型工艺。

当废气中的有机物具有回收价值时，脱附气体的后处理工序可采用冷凝或液体吸收工艺对有机物进行回收，液体吸收工艺还需考虑对吸收液的处理；当废气中有机物不宜回收时，宜采用热气流再生-催化燃烧或高温焚烧工艺。

8 环保要求