“活性炭吸附+催化燃烧”工艺在VOCs治理中的联合应用研究

＊黄 玲

（福州市连江环境监测站 福建 350500）

活性炭吸附作为一种常见的VOCs控制技术，以其高效、经济的特点受到了广泛关注。活性炭能够通过物理吸附将VOCs捕获并固定在其表面，从而有效地降低其在大气中的浓度。然而，仅仅依靠活性炭吸附还难以实现对VOCs的完全降解，因此需要进一步的处理手段。催化燃烧技术作为一种强有力的VOCs降解方法，通过在高温条件下引入催化剂，将VOCs转化为无害的水和二氧化碳。本研究将探索“活性炭吸附+催化燃烧”工艺的联合应用，旨在充分利用活性炭吸附对VOCs的富集和催化燃烧对其降解的优势，从而提高治理效率。

1.VOCs对环境和健康的影响

挥发性有机化合物（VOCs）是指在常温下易于挥发和扩散的有机化合物，广泛存在于各种源头并流入自然环境。这些VOCs主要包括甲醛、苯、乙烯、甲苯以及丙烯等化学物质。鉴于VOCs对环境和健康的潜在且深远的影响，对其进行深入探讨具有重要意义。

（1）VOCs对环境的影响。VOCs对大气层和地表环境产生直接或间接的影响，主要涉及臭氧层破坏机制。在大气层中，VOCs与氮氧化物（NOx）结合，共同参与光化学反应过程，最终形成地面臭氧及其他不利于环境和人体健康的化合物。这种由VOCs和NOx共同引发的地面臭氧，对植物的生长发育及其生产能力产生负面影响，同时也会对人类和其他动物的呼吸系统构成威胁。此外，VOCs是光化学烟雾的重要组成部分，影响空气质量，对大气中的微粒物生成和扩散具有决定性作用。同时，VOCs是细颗粒物（PM2.5）的潜在前驱物质，而PM2.5是导致心血管疾病、呼吸道疾病等健康问题的重要因素之一。

在各种地表水体中，VOCs的无序排放可能导致水质污染，如工业生产排放、污水处理厂废水和家庭日常清洁用品中的大量VOCs可能流入江河湖海，对水生动植物及整个生态平衡造成极大危害。

（2）VOCs对人体健康的潜在影响分析。挥发性有机化合物（VOCs）可能对人体健康产生广泛而深远的影响，特别是对呼吸系统、皮肤及整体健康状况的影响。

呼吸系统方面：长时间处于高浓度VOCs的暴露环境中，可能导致咳嗽、喉部疼痛、支气管炎和呼吸道感染等呼吸系统病症。尤其是醛类VOCs，可能提高哮喘和慢性阻塞性肺部疾病（COPD）等呼吸系统疾病的发病率。

皮肤健康层面：暴露于部分种类的VOCs中，个体容易产生皮肤过敏、过度敏感乃至接触性皮炎等健康问题。

在全球健康状况上：长期接触高浓度的VOCs会对人体健康产生影响，引发头晕目眩、恶心呕吐、疲乏无力等身体不适感。

特别需要关注的是，儿童、老年人以及免疫力相对较弱的群体在面对特定VOCs时，受到的影响程度更为明显，可能引发更加严重的健康危机。

控制和治理VOCs的排放对于环境保护和空气质量改善非常重要，其中活性炭吸附和催化燃烧是两种常见的VOCs治理工艺。

2.活性炭吸附+催化燃烧工艺

（1）活性炭吸附原理。活性炭广泛应用于工业和日常生活中，因发达的微孔结构和超大比表面积赋予其卓越的吸附性能，尤其在清除挥发性有机化合物（VOCs）等污染物方面。其微孔结构形成了巨大的吸附网络，有效捕获微小直径的VOCs气体分子。吸附机理主要依赖于气体分子体积大小的选择性吸附。吸附性能受活性炭特性、比表面积大小、颗粒大小、微孔结构和表面化学性质等多种因素影响。对于非极性或极性较弱的物质，活性炭表现出卓越的吸附性能。温度是关键参数，低温环境有助于提高吸附效率，但高温下可能发生反应，导致吸附效率降低[1]。因此，处理VOCs气体时，需控制适当的温度，高温环境下可使用120℃热空气解吸。接触时间和速率也对吸附效果产生影响，长时间接触有利于充分吸附VOCs气体，缓慢流动可确保充分的接触，提高吸附效率。VOCs气体多样性可能削弱活性炭吸附能力，选择适当的气体种类至关重要。前置过滤装置可去除VOCs和粉尘，避免微孔堵塞，维持吸附性能。VOCs气体水分含量是重要因素，水汽填充孔隙会影响其吸附能力，需要重视水分处理，调控气体水分含量。

（2）活性炭脱附原理。活性炭能吸附VOCs气体，但容量有限，会达到饱和状态。达到饱和时，需更换或进行脱附处理。活性炭吸附浓缩及催化燃烧是脱附并催化燃烧VOCs的方法。其流程是：先用活性炭吸附VOCs，然后用热空气吹扫碳床，进行脱附和催化燃烧。处理后的气体经热量回收和温度调节，再次进行脱附，形成循环。脱附温度决定脱附效率，应高于VOCs组分的沸点，但温度过低会使VOCs难以脱附，降低吸附性能。选择脱附温度时需考虑催化剂的耐热性能和热稳定性[2]。

（3）催化燃烧原理。催化燃烧技术通过利用低温环境及优化设定条件，在200～400℃的范围内实现有机物的完全氧化。该技术的优点在于无需点火且对低温条件的要求较低，适用于特定浓度及热值范围的可燃组分。然而，由于催化剂成本较高且运行费用昂贵，其推广和实际应用仍面临诸多挑战。

催化剂是催化燃烧系统的关键部件，能够提升化学反应速率并准确引导反应过程。在选择催化剂时，需要综合考虑化学构造、几何形状、金属构成和承载物等因素，制造过程需保持高度严谨。在处理挥发性有机化合物（VOCs）废气时，常用贵金属如铂、钯等或氧化铝载体作为催化剂[3]。

催化燃烧系统主要由废气预处理构件、预热装置和催化燃烧设备等关键部件组成。废气预处理装置的主要目的是清除废气中的杂质和颗粒物，防止催化剂床层发生堵塞或中毒现象。预热装置需要将气体加热至点燃温度，以促进催化燃烧过程的顺利进行。催化燃烧设备通常采用固定床催化燃烧器，其设计需充分考虑废气类别、浓度和温度等要素，以保证催化燃烧过程的高效执行。

（4）活性炭废气处理系统的主要处理工序与原理。首先，废气通过捕集装置，确保进入设备的废气中不含大量杂质。然后，经过三层干式初效过滤棉（包括集风管内VOCs毡和浸胶树脂棉、过滤床袋式过滤器以及集风管内顶棚过滤棉）的过滤，以确保得到的气体符合清洁无害化的要求。活性炭或碳纤维将吸附废气中的污染物，将其转化为对人体无害的气体。

脱附再生环节主要是通过高温气体将活性炭床内吸附的VOCs组分脱附出来，以维持活性炭床的吸附能力。催化燃烧环节则是通过催化剂的作用，降低燃烧温度，从而降低能耗，提高设备的运行效率[4]。最后，处理后的气体将接入排放口进行排放，以确保排放气体满足国家和地区的排放标准。在这一复杂的处理过程中，活性炭吸附、脱附VOCs气体的过程实质上是将大风量低浓度的废气浓缩成小风量高浓度的废气，从而提高设备的处理效率。采用催化剂辅助燃烧，有助于降低燃烧温度，进一步降低能耗，实现节能效果。

3.活性炭吸附+催化燃烧系统方案

（1）系统原理。活性炭吸附+催化燃烧系统首先通过多级过滤，采用板框式过滤器进行一级过滤，有效去除较大颗粒物和固体杂质。然后，袋式过滤器进行二级过滤，深度过滤废气中的细小颗粒物和气溶胶。最后进行三级过滤，对微生物和有害气体进行更精细的过滤和净化。

在完成三级过滤后，系统采用活性炭进行吸附操作。活性炭具有巨大表面积和微孔结构，在高温高湿环境下能够吸附废气中的有机物，实现废气净化。当活性炭吸附达到饱和时，系统通过吹扫干热空气的方式进行脱附再生，使活性炭恢复其活性并增强系统的经济效益和可持续性。在脱附过程中，废气中的有机物通过高温加热活性炭脱附，使活性炭重复利用[5]。

脱附后的废气进入催化法燃烧装置，结合干热空气和催化剂效果，在高温环境中发生催化氧化燃烧。该步骤彻底分解废气中的有机物，转化为无害的水和二氧化碳，实现高效净化。同时，催化燃烧装置产生的热量用于加热活性炭吸附系统和预处理废气，提高整个系统的能源利用率。

“活性炭吸附+催化燃烧系统”通过整合干式过滤、活性炭吸附和催化燃烧等多个阶段，充分利用各阶段的特点，高效处理和净化含有VOCs废气。采用多级过滤技术和活性炭吸附技术，系统能处理不同浓度和成分的废气，有效降低有机物质含量，满足环保要求。催化燃烧技术确保有机物完全分解，使系统达到严格的排放标准。

（2）活性炭吸附+催化燃烧系统工艺流程。吸附阶段：首先，系统利用干式过滤器对废气进行预处理，其次将其导入吸附床。废气中的有机成分会被活性炭吸附，最后经吸附风机处理后通过烟囱排放。

脱附阶段：当吸附床接近饱和状态时，活性炭需要再生。通过干热空气脱附，可让活性炭得到再生并同时处理吸附床上的废气。再生后的废气浓度会增加至5～8倍，随后送至催化燃烧装置进行处理。整个过程旨在确保系统高效吸附和再生，处理活性炭得当[6]。

催化燃烧阶段：挥发性有机废气以80～100℃的温度进入催化燃烧阶段。首先，通过气-气换热器将其预加热至180～200℃，然后进行电加热至240～280℃。在催化剂层中进行催化氧化燃烧，生成水和二氧化碳。为了维持温度在300℃左右，会将其预冷却至120～140℃。脱附风机将废气送回吸附床，实现催化床的循环利用。催化床需要废气浓度大于2000mg/m3才能自燃，燃烧产生的大部分尾气送回吸附床，小部分尾气通过烟囱外排。

循环阶段：为了提高稳定性和连续性，系统配置了A、B、C、D四个吸附床，每个床交替进行吸附和脱附运行。自动控制系统实现了床之间的自动循环，确保系统高效运行。

4.结论

本研究通过对活性炭吸附、脱附和催化燃烧原理的详细探讨，建立了综合的废气处理系统，该系统通过多级过滤和活性炭吸附操作，将VOCs从大风量低浓度的废气中浓缩成小风量高浓度的废气，从而提高了废气处理的效率。

系统通过采用板框式过滤器、袋式过滤器和三级过滤等多级过滤技术，有效去除了废气中的颗粒物和气溶胶，确保了进入活性炭吸附阶段的废气的清洁度。活性炭吸附阶段利用活性炭的超大比表面积和微孔结构，在高温高湿环境下吸附废气中的有机物，实现了废气的净化。而在活性炭达到饱和状态时，通过吹扫干热空气的方式进行脱附再生，维持了系统的连续运行和活性炭的再利用。

引入催化燃烧技术，通过催化剂的作用降低燃烧温度，提高了系统的能源利用效率。催化燃烧阶段彻底分解了废气中的有机物，将其转化为无害的水和二氧化碳，确保了排放气体符合严格的国家和地区排放标准。催化燃烧产生的热量还被有效利用于加热活性炭吸附系统和预处理废气，实现了能源的再循环利用。