活性焦(炭)吸附法在医药化工废气净化技术应用中的探讨

邹时宇

（杭州回水科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

医药化工企业在生产、储存和输送物料、化学反应等过程中会产生各种废气。这些废气主要包括无机废气、有机废气、恶臭气体和化工综合废气等，其中挥发性有机物（VOCs）和恶臭气体占总排放量的95%以上[1]。如果上述废气未采用科学合理的工艺进行处理就直接排放到大气中，将会产生十分严重的环境污染，也会严重危害人们的身体健康。因此，选择合适的废气净化技术和工艺对VOCs和恶臭气体进行处理，已成为相关企业和社会广泛关注的重点问题。在各种技术和工艺中，活性焦（炭）吸附法以其简单的流程、良好的经济性以及适用性被广泛用于处理各种废气。

1 医药化工挥发性有机物（VOCs）和恶臭气体的概述

一般而言，VOCs是指除CO、CO2、碳酸盐和金属碳化物等之外，在常温环境中沸点为50～260oC的有机化合物。按其化学结构分类主要包括芳烃类、醇类、醚类、醛类、烷类、酯类等。在医药化工行业的生产活动过程中，往往会排放大量的恶臭性气体，其产生的主要原因是因为制造工艺所需的VOCs溶液未经合格处理就扩散至空气中。另外，用于生产无机辅料和制药产生的废水中含有的氨气、酸性气体等也是恶臭性气体的主要组成部分。

1.1 医药化工挥发性有机物（VOCs）和恶臭气体的排放来源及组成

目前，在我国医药化工行业中，VOCs有机废气和恶臭气体的主要来源包括以下方面[2]：

（1）在医药原材料的加工和生产过程中，其使用的有机溶液会挥发至大气中；

（2）在医药生产阶段，由于粉碎工艺而导致的细小药物粉尘也挥发至大气中；

（3）各生产车间在医药的生产过程中以及其他公用工程排放的无序废气。

因此，医药化工行业中排放的VOCs和恶臭气体主要包括苯系物、有机胺、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 医药化工行业挥发性有机物（VOCs）和恶臭气体对生态环境的危害

1.2.1 VOCs对环境的影响

截至目前，学术界和工程界普遍认为VOCs有机废气对环境的影响主要是降低空气能见度、改变气候以及破坏臭氧层等。首先，VOCs在大气中会因为光化学反应而产生烟雾，并与部分未发生反应的VOCs共同形成雾霾，使空气的能见度降低；其次，VOCs在大气中还会与相应物质发生化学反应而生成酸性物质，造成酸雨现象，且进一步与大气中的NH4+离子形成硝酸或硫酸铵晶体，提高了大气层的反射率，导致大气环境的温度变低；最后，VOCs中的氟氯烃和氟烃等物质会在平流层与太阳辐射高能光子发生物理反应而产生游离氯原子，以此对臭氧层产生严重破坏。

1.2.2 VOCs对生物的影响

经大量研究表明，VOCs可对生物产生明显的危害。首先，当VOCs发生光化学反应时，会增加空气中的臭氧浓度，从而刺激生物的呼吸系统、破坏生物皮肤、影响生物的中枢神经和免疫系统；其次，VOCs中的氟利昂等物质会导致臭氧层稀薄，使生物受到的紫外线辐射增加；最后，VOCs中的苯和甲醛等物质因其具有强烈的毒性和恶臭气味，对生物的呼吸道系统和神经系统会产生强烈的刺激，且具有一定的致癌性。

2 活性焦（炭）吸附法技术原理

活性炭属于一种无定型炭，其主要是由植物、矿物和含碳废料通过一定工艺（如破碎、筛选和活化等）加工制造形成的一种多孔隙微观结构、高比表面积和强吸附力的工业吸附材料。而活性焦是利用褐煤为原料生产的具有大量功能基团的中孔丰富的碳吸附材料，其具有高度发达的孔隙构造。活性焦的多孔结构为本身提供了大量表面积，使其与气体（杂质）充分接触，从而赋予了活性炭特有的吸附性能。以上这两种材料均被广泛应用于工业废气净化中。

2.1 活性焦（炭）吸附原理

活性焦（炭）对VOCs和恶臭气体的吸附原理主要是依靠不同分子的浓度不同，而在界面发生的导向性移动作用。活性焦（炭）的表面存有不规则结构的碳分子集，较大的表面积与孔壁分子可形成一个具有高压环境的分子吸附场。另外，在活性焦（炭）的微观结构中，由于其具有较为发达的微孔隙结构，从而在范德华力的作用下能使不同的吸附场产生升叠加效应，进一步提高了吸附能力。而针对活性焦（炭）对VOCs和恶臭气体的吸附过程，一般情况下是：首先，吸附对象（液化废气）是以流体的形式与活性焦（炭）的表面开始接触（膜扩散）；其次，与表面接触的吸附对象进入到活性焦（炭）表面的微孔隙之中（表面扩散）；随后，吸附对象经表面微孔隙进入到活性焦（炭）的内部微孔洞之中（孔扩散）；最后，吸附对象在活性焦（炭）的微观结构中以稳定状态填满其内部的微孔洞，以此完成吸附过程（吸附）[3]。具体工艺流程如图1所示。

图1 活性焦（炭）的吸附流程

在实际应用中，活性焦（炭）对VOCs和恶臭气体的吸附可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要是应用在较低温度时，由范德华力产生作用，该方法具有定向性和可逆性的特点；而化学吸附主要是应用在较高温度时，由活性焦（炭）表面与吸附对象之间的分子化学键产生作用，该方法具有选择性和不可逆性的特点。经研究发现，活性焦（炭）的吸附能力与压力、VOCs和恶臭气体的浓度成正相关关系；在温度为-30～40oC时，其表现为正相关关系，而当温度超过40oC时，则表现为负相关关系。

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术和工艺对处于饱和吸附状态而丧失活性的活性焦（炭）进行加工，恢复其吸附能力，以达到循环利用的目的。一般情况下，再生活性焦（炭）的技术要求需要满足其达到最初吸附性能的90%以上，强度和韧性损失率不超过10%。

2.2.2 活性焦（炭）的再生方法

目前，活性焦（炭）的再生主要依靠脱附和吸附质分解。

（1）脱附是指改变饱和活性焦（炭）的环境压力、温度和通过化学方法对吸附的物质进行脱离的过程。改变压力是指利用活性焦（炭）在低压中吸附能力较弱的特点对其进行脱附操作；而对于改变温度而进行脱附的方法，一般是采用加热后的高温惰性气体和水蒸气对其进行脱附；化学方法脱附主要是利用化学试剂对活性焦（炭）所处环境的pH值进行调节，以及改变活性焦（炭）与吸附物质的亲和性进而达到脱附的效果。该方法一般针对于吸附对象为高浓度与低沸点的VOCs和恶臭气体的饱和活性焦（炭）。在实际应用中，该方法又分为反应再生法和溶剂再生法。反应再生法主要利用无机酸和碱对活性焦（炭）进行脱附，而溶剂再生法主要是利用苯和丙酮等有机溶液对吸附物质进行萃取。

（2）吸附质分解主要针对于吸附某些分子量和沸点较高物质的饱和活性焦（炭），而脱附方法无法使其再生，是利用吸附质分解的方法。目前，常用的吸附质分解方法主要包括高温高氧化气体法、氧化氢和臭氧等高氧化剂法等。

此外，随着科技的不断进步，一些新型的活性焦（炭）再生方法也逐渐被应用到相应的净化项目中，主要包括生物再生法、光催化再生法、电化学再生法、超临界流体萃取再生法、微波和超声波再生法等，在一定程度提高了活性焦（炭）的再生效率以及经济效率。

3 活性焦（炭）吸附法的工艺流程

目前，针对不同的VOCs和恶臭气体，根据其组分和含量的不同一般采用下面三种活性焦（炭）吸附法的工艺流程[4]。

3.1 循环塔+UV光解+活性焦（炭）吸附法

该工艺主要应用于对固化炉产生的浓度较低的VOCs和恶臭气体进行净化处理。具体工艺流程是，首先，VOCs和恶臭气体由引风机推进UV光解净化器，使其被含有催化剂的高能高臭氧的UV紫外线光束分解（光解）为小分子有机物，以增加活性焦（炭）内部空隙对VOCs和恶臭气体的吸附数量；随后，经过分解处理的小分子VOCs和恶臭气体进入循环塔（由旋流板组成）中，使其充分与活性焦（炭）的表面进行循环接触并完成吸附；最后，将处理后的废气排放至大气中。

3.2 预处理+活性焦（炭）吸附+脱附冷凝回收法

该工艺的适用性较高，可完成多数医疗化工生产活动产生的VOCs和恶臭气体的净化。具体工艺流程是，首先，VOCs和恶臭气体通过引风机的作用进入预处理槽，通过一系列筛离、温度和湿度的调节工艺使其更容易被活性焦（炭）吸附；其次，VOCs和恶臭气体经引风机的作用被运输至活性焦（炭）吸附机床和脱附机床，经吸附处理后的废气直接排向大气中，而饱和活性焦（炭）则在脱附机床中进行脱附再生。且在脱附机床中，再使用惰性气体对饱和活性焦（炭）进行置换，并应用脱附加热设施和分流冷凝设施对其进行热脱附再生和冷凝回收。

3.3 水喷淋+干式过滤器+活性焦（炭）吸附+催化燃烧法

该工艺主要是应用于具有大量苯类物质的VOCs和恶臭气体的净化处理。具体工艺流程是，首先，VOCs和恶臭气体经过水喷淋装置消除尘雾，并通过干式过滤器对其水分进行过滤；随后，在完成上述预处理后，VOCs和恶臭气体被引风机直接导入活性焦（炭）机床中行吸附处理，经处理后的废气直接排向大气；最后，通过热脱附的方法对饱和活性焦（炭）进行脱附，并对脱附出的VOCs和恶臭气体运送至含有催化剂的焚烧室进行燃烧，待燃烧充分完成后，直接排向大气。在该处理工艺中，活性焦（炭）机床与上述工艺一样，可分别设置吸附机床和脱附机床。

4 活性焦（炭）干法在医药化工行业废气处理中的应用

本文以浙江朗华制药有限公司废气活性焦吸附深度处理项目中对活性焦（炭）的应用进行说明。

该项目设计废气进气量为40 000 m3/h，其废气类型和来源主要为蓄热式氧化炉（RTO）系统初步处理后的车间废气。而对于通过入口主管道进入活性焦吸附系统的废气污染物指标参数，其设定为非甲烷总烃≤120 mg/m3，经处理后的废气污染物指标参数依据《制药工业大气污染物排放标准》（GB37823-2019）中的相关规定，非甲烷总烃（NMFHC）≤60 mg/m3，臭气浓度≤800，通过排气筒直接排放。其中，非甲烷总烃指除甲烷以外的碳氢化合物（其中主要是C2-C8），主要包括烷烃、烯烃、芳香烃和含氧烃等组分，在线监测指标包含非甲烷总烃和其他特征因子，将数据上传到环保局，非甲烷总烃质量浓度被作为废气排放点限值、厂界无组织排放限值和废气处理效率的评判依据。

该项目是具体采用活性焦吸附废气深度处理工艺对车间废气进行处理。首先，使用新建喷淋系统对车间高浓度废气进行预处理并运送至RTO系统，使其在800～870oC环境下焚烧生成CO2和H2O；其次，利用喷淋系统对气体进行处理后，再利用除雾除湿装置对其进行除雾除湿；最后，使用活性焦吸附系统对上述处理后的有机废气进行深度吸附，以有效去除异味和臭味，再将处理达标后的废气通过25 m的高烟囱排放至大气，同时，将吸附饱和后的活性焦运往再生中心进行再生处理。

在本项目中，VOCs主要是通过活性焦（炭）吸附进行去除，其出口浓度是判断吸附脱附切换周期的关键点。通过检测其脱附开始前设备的出口浓度，经调试运行确定整套设备符合设计要求，达到了理想的运行效果。

5 结语

综上所述，随着我国医疗行业的快速发展，其排放的含有挥发性有机物（VOCs）和恶臭气体的废气总量也在逐渐增加，这些废气对生态环境造成了严重的危害，因此，如何对其进行有效的净化处理，已成为学术界关注的重要课题。在针对上述废气的净化处理中，活性焦（炭）吸附技术具有生产成本低、净化效率高和可再生性强等优点，该技术被广泛应用并取得了良好的效果。所以，本文结合工程实例对活性焦（炭）吸附技术对医疗废气净化的原理和工艺进行了详细的介绍和讨论，旨在为推动我国医疗废气净化事业发展作出相应贡献。