周靈君

(江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　210036)

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揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)吸附回收技術(shù)進(jìn)展*

周靈君

(江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210036)

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)不僅本身具有較強(qiáng)毒性，而且是影響我國(guó)區(qū)域復(fù)合大氣污染的重要前體物和參與物，因此VOCs的控制受到越來(lái)越多的重視。吸附法是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的回收VOCs的方法。介紹了常用吸附劑、吸附劑再生技術(shù)、吸附設(shè)備、主要吸附工藝以及吸附相關(guān)組合治理技術(shù)，探討了吸附回收技術(shù)在VOCs治理方面急需解決的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)。

揮發(fā)性有機(jī)物；吸附法；回收技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)多個(gè)地區(qū)多次出現(xiàn)大范圍的霧霾天氣，以臭氧、細(xì)顆粒物(PM2.5)、酸雨為特征的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問(wèn)題日益突出。作為臭氧和二次有機(jī)顆粒物的重要前體物，揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)在大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中扮演著極其重要的角色。同時(shí)，大部分的VOCs都具有較強(qiáng)的刺激性和毒性。如苯被列為第一類致癌物質(zhì)，正己烷、庚烷和辛烷會(huì)影響人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)[1-4]。

2010年5月國(guó)務(wù)院辦公廳首次正式地從國(guó)家層面上提出了加強(qiáng)VOCs污染防治工作的要求，將VOCs和SO2、NOx與顆粒物一起列為改善大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)控重點(diǎn)污染物[5]。2012年12月底出臺(tái)的我國(guó)首部綜合性大氣污染防治規(guī)劃《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》要求提高VOCs排放類項(xiàng)目建設(shè)要求，開展重點(diǎn)行業(yè)治理，完善VOCs污染防治體系[6-8]。

在生產(chǎn)過(guò)程中采用替代產(chǎn)品、改進(jìn)工藝和更換設(shè)備是減少VOCs產(chǎn)生和排放的首選措施，然而對(duì)于一些工藝過(guò)程和生產(chǎn)而言，清潔生產(chǎn)的路還很長(zhǎng)，在短時(shí)期內(nèi)末端控制技術(shù)仍然是必不可少的一種手段。目前VOCs的治理技術(shù)主要包括回收法和銷毀法。無(wú)論從環(huán)保還是從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，回收法都是值得提倡的VOCs治理技術(shù)[9-12]。

VOCs回收技術(shù)包括吸附、冷凝、吸收、膜分離等，其中吸附法設(shè)備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、凈化效率高，是一種傳統(tǒng)的VOCs治理技術(shù)，也是目前應(yīng)用最廣的治理技術(shù)。席勁瑛等通過(guò)調(diào)研大量工業(yè)VOCs處理技術(shù)工程案例發(fā)現(xiàn)，吸附技術(shù)在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率最高(38%)，在適于回收VOCs的情況下，吸附技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、符合清潔生產(chǎn)理念的選擇，因此在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[9]。

1　吸附法治理技術(shù)

吸附法是利用各種固體吸附劑對(duì)排放廢氣中的污染物進(jìn)行吸附凈化的方法[13]。通常吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類，而VOCs廢氣的凈化主要采用物理吸附方法。吸附法適宜處理低濃度、高風(fēng)量的有機(jī)廢氣，主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳?xì)浠衔?、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等[14]。吸附法的關(guān)鍵技術(shù)是吸附劑、吸附設(shè)備和工藝、再生介質(zhì)、后處理工藝等的確定[15-16]。

1.1常用吸附劑

目前在VOCs凈化中常用的吸附劑有無(wú)機(jī)和有機(jī)吸附劑兩類，應(yīng)用較多的是無(wú)機(jī)吸附劑，主要有活性炭(包括顆粒活性炭、蜂窩活性炭和活性炭纖維)、分子篩(包括顆粒分子篩、分子篩成型體蜂窩和分子篩涂覆材料)、沸石、顆粒硅膠、活性氧化鋁、多孔粘土礦石等，有機(jī)吸附劑主要是指高聚物吸附樹脂[17]。

最具代表性的無(wú)機(jī)吸附劑是活性炭。與顆粒活性炭相比，蜂窩活性炭具有床層阻力小的優(yōu)點(diǎn)。目前，我國(guó)處理高風(fēng)量、低濃度VOCs設(shè)備的吸附劑以蜂窩狀活性炭為主[18]。活性炭纖維具有比表面積大、微孔豐富且分布均勻、吸脫附速率快、吸附效率高、易再生等優(yōu)點(diǎn)[19]。活性炭材料對(duì)非極性物質(zhì)，如有機(jī)溶劑具有非常好的吸附能力；相反，對(duì)極性物質(zhì)如水，則吸附性較差，因此就有可能很方便地用水蒸氣再生。

沸石和分子篩的主要成分都是鋁硅酸鹽，具有良好的熱穩(wěn)定性，在使用熱氣流再生時(shí)安全性好。不同類型的分子篩對(duì)VOCs的吸附效果不同，因此可以通過(guò)對(duì)分子篩進(jìn)行化學(xué)修飾和改性，提高其對(duì)VOCs的去除效果[20-21]。

1.2吸附劑再生

在VOCs治理中常用的吸附劑再生方法有低壓水蒸氣置換再生、熱氣流吹掃再生和降壓或真空解吸再生。低壓水蒸氣置換再生、熱氣流吹掃再生適用于脫附沸點(diǎn)較低的低分子碳?xì)浠衔锖头枷阕逵袡C(jī)物[22]。

目前還發(fā)展了一些新型節(jié)能的吸附劑再生技術(shù)，如微波脫附[23]、電焦耳脫附[24]、溶劑置換[25]、超聲波再生[26]等。這些新的脫附技術(shù)節(jié)能效果好、效率高，但目前尚處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用較少。

1.3常用吸附裝置

在有機(jī)廢氣治理方面，工業(yè)上常用的吸附設(shè)備有固定床、移動(dòng)床、流化床和沸石蜂窩轉(zhuǎn)輪吸附裝置，最經(jīng)典、常用的是固定床。沸石蜂窩轉(zhuǎn)輪吸附裝置是有機(jī)廢氣凈化領(lǐng)域中相對(duì)較新開發(fā)的旋轉(zhuǎn)式吸附系統(tǒng)，也稱為轉(zhuǎn)子吸附器。廢氣可徑向或軸向地通過(guò)裝有吸附劑的轉(zhuǎn)子，并經(jīng)過(guò)大部分的旋轉(zhuǎn)床層而被凈化。轉(zhuǎn)子吸附器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、操作方便、壓降低，可以連續(xù)地將大流量的廢氣處理成低濃度的凈化氣，而解吸出來(lái)的氣體則濃度高而流量低，一般增濃比可達(dá)10～15倍。

1.4主要吸附工藝

1.4.1固定床吸附-水蒸氣置換再生-冷凝回收工藝

該工藝通常以顆?；钚蕴?、活性炭纖維或沸石作為吸附劑，主要對(duì)較低濃度的有機(jī)廢氣中的溶劑進(jìn)行回收。固定床中的吸附劑吸附達(dá)到飽和后，通入高溫水蒸氣使被吸附的有機(jī)物隨水蒸氣一起離開吸附床，然后用冷凝器冷卻蒸汽混合物，使其冷凝為液體[27]。

1.4.2固定床吸附-真空解吸再生-吸收回收工藝

該工藝通常采用中孔發(fā)達(dá)的顆?；钚蕴孔鳛槲絼┻M(jìn)行吸附，然后采用抽真空降壓對(duì)吸附劑進(jìn)行再生，被真空泵所抽出的極高濃度的廢氣通常采用低揮發(fā)性的有機(jī)溶劑進(jìn)行吸收回收。該工藝適合于高濃度有機(jī)廢氣的回收[16]。

1.4.3沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮工藝

在目前我國(guó)的有機(jī)廢氣污染中，低濃度、大風(fēng)量的VOCs排放占了相當(dāng)大的比例，因此吸附濃縮技術(shù)是低濃度廢氣治理中最為經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)途徑。近年來(lái)我國(guó)從日本引進(jìn)了一批沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮裝置，業(yè)內(nèi)的很多企業(yè)也正在積極進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用工作。和固定床吸附濃縮技術(shù)相比，沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：采用蜂窩式沸石作為吸附劑，可采用高溫脫附，再生效率高，安全性能好，適宜處理的VOCs范圍更廣；設(shè)備阻力小，吸附劑的利用率高，運(yùn)行成本低；尾氣中有機(jī)污染物的濃度穩(wěn)定，便于控制；結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備體積和占地面積小[28]。

1.4.4吸附-冷凝組合工藝

吸附濃縮-冷凝回收工藝通常用于低濃度、大風(fēng)量、回收價(jià)值較高的VOCs的凈化，目前工業(yè)上主要使用固定床或者沸石轉(zhuǎn)輪作為吸附裝置。當(dāng)吸附劑吸附達(dá)到飽和后，根據(jù)有機(jī)廢氣和使用的吸附劑性質(zhì)選擇水蒸氣或熱氣流進(jìn)行解吸，也可以進(jìn)行真空解吸再生，解吸出的高溫、高濃度混合蒸汽再進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷凝回收[16,29]。

陸樹華等集成有機(jī)廢氣回收中冷凝法與吸附法的傳統(tǒng)工藝，將預(yù)冷、冷凝、吸附、分離四個(gè)過(guò)程集成在同一流道內(nèi)，設(shè)計(jì)出新型板式結(jié)構(gòu)的芯體，其有機(jī)廢氣通道與制冷劑通道由帶有三角形翅片的金屬板片相隔。在有機(jī)廢氣通道的翅片間填充吸附劑，在金屬板片另一側(cè)的通道內(nèi)流經(jīng)制冷劑。有機(jī)廢氣在經(jīng)吸附劑吸附的同時(shí)和制冷劑逆向流動(dòng)換熱，降低了吸附劑溫升，延長(zhǎng)吸附劑壽命。冷凝吸附后的低溫尾氣被引至裝置上部的芯體作預(yù)冷用，實(shí)現(xiàn)能源的二次利用，提高能源的利用率。裝置分為上下兩部分并用法蘭連接，便于裝置的拆卸以及吸附劑的更換。該裝置具有有機(jī)廢氣回收率高、占地空間小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)有機(jī)廢氣的回收治理[8]。

2　結(jié)　語(yǔ)

(1)從資源化的角度來(lái)看，回收技術(shù)是治理VOCs行之有效的方法。美國(guó)EPA指出，活性炭吸附是去除VOCs“可采用的最好技術(shù)”，而且吸附法也正是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的技術(shù)，特別是活性炭固定床吸附變溫技術(shù)適合我國(guó)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平。

(2)VOCs成分、組成和性質(zhì)的復(fù)雜性導(dǎo)致單一的治理技術(shù)在大多數(shù)情況下不能很好的解決當(dāng)前企業(yè)及化工園區(qū)普遍存在的尾氣排放不達(dá)標(biāo)、設(shè)備運(yùn)行成本高、經(jīng)濟(jì)效益低的問(wèn)題?；诓煌に嚰傻慕M合方法，如吸收-吸附、冷凝-吸附、吸附-膜分離等組合工藝，可進(jìn)一步提高VOCs的去除率、降低成本和減少二次污染。

(3)研制具有催化氧化等更佳吸附性能或滿足特定需求的吸附劑，尋找切實(shí)可行的吸附劑表面改性方法；探究VOCs在吸附解吸過(guò)程中的熱質(zhì)耦合傳遞機(jī)理，分析VOCs的傳熱傳質(zhì)特性；加強(qiáng)對(duì)吸附解吸過(guò)程影響因素的研究，提高吸附效率，延長(zhǎng)吸附劑壽命；精確預(yù)測(cè)VOCs的相變和吸附解吸過(guò)程，建立VOCs回收過(guò)程預(yù)測(cè)方法和回收裝置設(shè)計(jì)方法；研發(fā)具有更高吸附效率的凈化設(shè)備。這些問(wèn)題有待于進(jìn)一步的研究和探討。

(4)目前常用的吸附-冷凝組合工藝中吸附和冷凝是同一工藝的兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程，是一種弱耦合，只是將冷凝與吸附兩種裝置簡(jiǎn)單連接而成，會(huì)造成設(shè)備占地面積大、能源利用率低、成本高等不足。將冷凝和吸附耦合在同一通道內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，可以縮短流程，延長(zhǎng)吸附劑壽命，提高能源利用率和VOCs回收效率。因此深入系統(tǒng)地開展吸附冷凝耦合過(guò)程與行為的研究有望突破傳統(tǒng)意義上的吸附和冷凝技術(shù)的限制，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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Advance of Volatile Organic Compounds (VOCs)Adsorption Recycling Technology*

ZHOU Ling-jun

(Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science, Jiangsu Province Key LaboratoryofEnvironmentalEngineering,JiangsuNanjing210036,China)

Volatile organic compounds (VOCs) are not only strong toxicity，but also the important precursors and participants of complex regional atmospheric pollution in China．It has been paid more and more attention to control VOCs. Adsorption process is one of the most widely used and mature methods to recycle VOCs. Common adsorbents, adsorbent regeneration technologies, adsorption equipments, main adsorption techniques and adsorption related combined treatment technologies were introduced. The urgent problems and development trends of adsorption process for recovering VOCs were proposed．

volatile organic compounds; adsorption; recycling technology

江蘇省科技支撐計(jì)劃——社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(BE2014724)。

周靈君(1977-)，女，高級(jí)工程師，主要從事廢氣處理與資源化研究。

X511

A

1001-9677(2016)01-0006-03