吸附技術(shù)——活性炭的吸附與脫附再生

1.1 活性炭吸附塔過(guò)程的影響因素

活性炭的吸脫附容量的影響因素主要有：VOCs各組分的性質(zhì)（如相對(duì)分子質(zhì)量、偶極距、分子大小等）、混合氣體的組成成分（如共存有機(jī)物、水、氧氣等）、操作條件（如吸附溫度、床層尺寸等）。

活性炭對(duì)廢氣吸附的特點(diǎn)：

（1） 對(duì)于芳香族化合物的吸附優(yōu)于對(duì)非芳香族化合物的吸附；對(duì)帶有支鍵的烴類(lèi)物理的吸附優(yōu)于對(duì)直鏈烴類(lèi)物質(zhì)的吸附；對(duì)有機(jī)物中含有無(wú)機(jī)基團(tuán)物質(zhì)的吸附總是低于不含無(wú)機(jī)基團(tuán)物質(zhì)的吸附。

（2） 對(duì)分子量大和沸點(diǎn)高的化合的的吸附總是高于分子量小和沸點(diǎn)低的化合物的吸附?；钚蕴康目讖揭臀劫|(zhì)的分子或離子的幾何大小相匹配才能有效利用。

（3） 一般認(rèn)為，當(dāng)活性炭表明形成堿性氧化物時(shí)，活性炭更易于吸附酸性化合物；當(dāng)表面形成酸性化合物時(shí)，則有利于堿性化合物的吸附。

（4） 混合氣體組分越多，活性炭吸附容量降低越嚴(yán)重。

（5） 吸附質(zhì)濃度越高，吸附量也越高；吸附劑內(nèi)表面積越大，吸附量越高。

（6） 水分子層的覆蓋導(dǎo)致活性炭對(duì)極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑的吸附力減小，并隨著水蒸氣含量的增高，影響越顯著。氣體濕度大于50%時(shí)，對(duì)吸附的抑制作用顯著增強(qiáng)，特別是對(duì)低濃度的 VOCs 影響非常顯著。通常濕度在40%以上時(shí)吸附量開(kāi)始下降，80%以上時(shí)吸附量下降50%。

（7） 溫度的影響。吸附是放熱反應(yīng)。溫度降低有利于吸附，溫度升高有利于脫附。吸附熱，即活性炭吸附單位重量的吸附質(zhì)溶質(zhì)放出的總熱量，以KJ/mol為單位。吸附熱越大，溫度對(duì)吸附的影響越大。另一方面，溫度對(duì)物質(zhì)的溶解度有影響，因此對(duì)吸附也有影響。

（8） 若以粒狀活性炭為吸附劑，溫度控制在40℃以內(nèi)，設(shè)備的氣流空塔速度一般只取0.1-0.6m/s（0.3-0.4m/s時(shí)吸附效果好），而用蜂窩狀活性炭為吸附劑時(shí)，設(shè)備的氣流空塔速度可以在較大范圍內(nèi)選取，zui大可取到2m/s的高空塔速度，因此蜂窩狀活性炭很適合應(yīng)用在大風(fēng)量條件下對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附凈化。低濃度低流速均有利于吸附，穿透和吸附平衡時(shí)間更長(zhǎng)。

（9） 吸附帶的長(zhǎng)度隨著流速的增大而增大，隨著活性炭粒徑的增大而增加。對(duì)于單一組份來(lái)說(shuō)，吸附帶長(zhǎng)度隨著吸附流速增回而增加，隨活性炭的粒徑增回而增加。對(duì)于多組份來(lái)說(shuō)，吸附量低的優(yōu)先穿透，吸附量高的后穿透。在吸附帶重合區(qū)，優(yōu)先吸附的被后吸附的壓縮，得到濃縮。

1.2 活性炭的吸附特點(diǎn)

單純的活性炭因?qū)撼粑镔|(zhì)無(wú)特別的選擇吸附性能，且吸附量過(guò)小，幾乎不單獨(dú)用來(lái)處理惡臭氣體。而浸漬活性炭（或稱添載活性炭）是常用的脫臭劑，用于脫臭的浸漬炭可分為三類(lèi)——堿性臭氣脫除用炭（添載酸或用酸進(jìn)行處理，使具有離子交換功能的特殊活性炭，可去除如氨、三甲胺等堿性氣體）；酸性臭氣脫除用炭（添載堿或鹵素系金屬鹽，使具有觸媒作用的特殊活性炭，可去除硫化氫、甲基硫醇等酸性氣體）；中性臭氣脫除用炭（添加了鹵素系金屬鹽等化合物，使具有觸媒功能的特殊活性炭，可去除甲硫醚、二甲硫醚等中性氣體）。添加銅系和鐵系金屬鹽類(lèi)或氧化物的活性炭可用于脫除硅烷氣體；添加膦系化合物的活性炭用于脫除氨氣；添加CuO和Cu2O的活性炭可脫除氫氰酸和光氣；加載 ZnO和 NaZnO2的活性炭觸媒可催化脫除砷化氫及氫氰酸、光氣；加載Ag2O 的活性炭觸媒可催化脫除砷化氫；加載硫酸銅的活性炭可脫除氨氣。

2 活性炭的脫附再生

脫附是創(chuàng)造與低負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的條件，引入物質(zhì)或能量使吸附質(zhì)分子與活性炭之間的作用力減弱或消失，從而除去可逆吸附質(zhì)。

再生方法主要取決于活性炭的類(lèi)型和活性炭吸附物質(zhì)的性質(zhì)，同時(shí)再生操作要保證不使影響活性炭吸附性能的主要孔隙容積損失太多。再生炭的吸附性能要達(dá)到原炭的90%一105%，再生得率要達(dá)到90%以上，而強(qiáng)度基本不變或稍有降低，再生時(shí)炭的機(jī)械磨損和破碎要少。

活性炭在再生過(guò)程中損失較大約為5%-10%，再生后的活性炭吸附能力明顯下降、機(jī)械強(qiáng)度下降、再生過(guò)程中的尾氣會(huì)造成空氣污染等，當(dāng)廢氣中有氣溶膠物質(zhì)或其他雜質(zhì)時(shí)，吸附劑易失效。

常用的脫附方法有兩種，即減壓脫附與加熱脫附。采用加熱脫附常見(jiàn)的如高溫蒸氣脫附、氮?dú)饷摳郊岸栊詺怏w脫附等。要使吸附的溶劑完全脫附出來(lái)，需要大量的蒸氣，增加了運(yùn)行成本。如果控制蒸氣用量，溶劑殘留量增加，活性炭有效吸附量下降，同時(shí)在脫附干燥段易造成溶劑揮發(fā)，從而引起排放的污染物濃度超標(biāo)。變壓脫附溫度可以不變，一般吸附48h后減壓或者是抽真空解吸30min。

2.1 熱再生法

熱再生法的原理是在加熱條件下，使被吸附的有機(jī)物以解析、炭化、氧化的形式從活性炭基質(zhì)上消除。一般蜂窩活性炭開(kāi)始的脫附溫度為80~90度，脫附時(shí)間長(zhǎng)，隨著活性炭的使用，脫附溫度逐漸增大，但不能超過(guò)130度，并且進(jìn)入活性炭層的脫附氣體一定要有阻火器。

再生步驟：

（1）干燥，干燥溫度一般低于100℃，主要是蒸發(fā)孔隙水，少量低沸點(diǎn)的有機(jī)物也會(huì)被氣化。該過(guò)程需要大量的蒸發(fā)潛熱，熱再生過(guò)程約有50%的能耗是在干燥過(guò)程中消耗的。

（2）在約350℃時(shí)加熱活性炭，使其中的低沸點(diǎn)有機(jī)物被分離。

（3）高溫炭化，即在約800℃加熱活性炭，使大部分有機(jī)物分解、氣化，或以固定碳的形態(tài)殘留下來(lái)。

（4）活化，即在800℃～1000℃范圍內(nèi)加熱活性炭，使殘留下來(lái)的炭，被水蒸氣、二氧化碳或氧氣等分解。熱再生的步驟根據(jù)加熱爐種類(lèi)的不同也稍有差別，但差別不大。

熱再生法再生率較高，可達(dá)70%～80%；再生時(shí)間短；與化學(xué)藥品再生法相比，具有很強(qiáng)的通用性；不產(chǎn)生再生廢液。缺點(diǎn)：再生后的活性炭損失率較高，一般為5%～10%；炭表面化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，比表面積減小；高溫再生對(duì)再生爐材料要求高，再生爐設(shè)備投資高；再生能耗成本較高；活性炭反復(fù)再生會(huì)喪失吸附性能。一般蜂窩活性炭開(kāi)始的脫附溫度為80~90度，脫附時(shí)間長(zhǎng)，隨著活性炭的使用，脫附溫度逐漸增大，但不能超過(guò)130度，并且進(jìn)入活性炭層的脫附氣體一定要有阻火器。

2.1.1 水蒸氣脫附法

由于水蒸氣熱焓高且較易得，經(jīng)濟(jì)性安全性好，廣泛適用于脫附沸點(diǎn)較低的小分子碳?xì)浠衔锖头枷阕逵袡C(jī)物，對(duì)于高沸點(diǎn)物質(zhì)的脫附能力較弱，脫附周期長(zhǎng)，易造成系統(tǒng)腐蝕，對(duì)材料性能要求高。水蒸汽脫附后，吸附系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間的冷卻干燥才能再次投入使用，還存在冷凝水二次污染的問(wèn)題。采用低壓水蒸氣脫附工藝的脫附，水蒸氣用量4.0 mL/min，溫度140℃條件下實(shí)現(xiàn)回收烯烴83.22%。脫附時(shí)水蒸汽帶入雜質(zhì)引起活性炭失效，分離溶劑的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，造成二次污染；可能會(huì)破壞活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸附能力下降；近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的熱氮?dú)饷摳郊夹g(shù)可以有效的解決上述問(wèn)題。140℃脫附 30min，氮?dú)饬髁繛?.6 m3/h，脫附率為90%左右。脫附完成后，吸附劑需要較長(zhǎng)時(shí)間的冷卻干燥才能再次投入使用。

2.1.2 熱空氣再生法

與水蒸汽解吸相比，熱氣體解吸的冷凝水二次污染很少，對(duì)吸附系統(tǒng)材料的要求較低。利用熱空氣對(duì)活性炭纖維吸附的甲苯進(jìn)行解吸，適宜的脫附工藝條件為溫度180℃，脫附時(shí)間40min，脫附空氣流速0.106m/s；通過(guò)建立示范工程對(duì)熱空氣解吸能耗進(jìn)行分析，結(jié)果表明熱空氣脫附若采用蒸汽為加熱源時(shí)，每回收1kg溶劑約需電0.5kWh及1.6kg蒸汽。

小于一般蒸汽直接加熱回收系統(tǒng)中的2～5kg蒸汽的用量。熱氮?dú)饷摳绞且环N高效的方法，140℃脫附30min，氮?dú)饬髁繛?.6m3/h，脫附率為90%左右。

采用流向變換催化燃燒法處理廢氣時(shí)可熱空氣脫附法。正常吸附前，先將催化床燃燒室預(yù)熱到300℃，一定時(shí)間后，當(dāng)活性炭纖維吸附飽和時(shí)，打開(kāi)脫附閥門(mén)，用120℃熱風(fēng)進(jìn)行脫附，解吸出的有機(jī)廢氣進(jìn)到催化床燃燒分解為CO2和H2O，凈化后的高溫氣體通過(guò)列管熱交換器預(yù)熱脫附氣體，少部分經(jīng)煙囪排放，其余補(bǔ)充新鮮空氣后作為脫附熱風(fēng)返回，此時(shí)可停止電加熱管預(yù)熱，并通過(guò)放空閥和補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)催化燃燒系統(tǒng)的熱平衡。纖維活性炭脫附徹底，經(jīng)多次吸附脫附后仍保持原有的吸附性能，特別是對(duì)10-6級(jí)的吸附質(zhì)仍保持很高的吸附量（蜂窩炭或顆粒炭的吸附能力則大大降低）。

熱氣體脫附的缺點(diǎn)是氣體熱容量小，氣體熱交換所需面積相對(duì)較大，如果直接采用熱空氣解吸，可能存在一定的危險(xiǎn)性，而且氧的存在會(huì)影響回收物質(zhì)的品質(zhì)，所以需要控制再生氣體中氧氣的含量。

2.1.3微波加熱

采用的再生設(shè)備為微波諧振膛，用于干燥或加熱的微波頻率有 970 MHz及2450 MHz 兩種。微波加熱的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)微波使炭自身發(fā)熱，升溫速度快，可迅速達(dá)到再生要求的高溫，設(shè)備體積小。缺點(diǎn)是爐膛內(nèi)加熱不均勻，主要是微波能量吸收不均勻所致，有時(shí)產(chǎn)生炭燒結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)微波漏能功率大于 0.01 W/cm2、接觸時(shí)間達(dá) 6min以上時(shí)，對(duì)人體有傷害。在微波產(chǎn)生、輸送過(guò)程中，磁控管本身會(huì)消耗30% - 40% 的功率。

2.1.4遠(yuǎn)紅外線加熱

一般用于干燥活性炭，也可用于再生，主要取決于被加熱物體對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外線的吸收能力。

2.1.5直接通電加熱

利用填料吸附塔廠家活性炭自身具有的電阻和炭粒間具有的接觸電阻，使炭產(chǎn)生焦耳熱，逐漸達(dá)到再生溫度，再通入水蒸氣進(jìn)行活化。對(duì)于活性炭纖維，電加熱溫度達(dá)到 150℃ ，可以將吸附的甲苯基本全部脫附下來(lái)。

微波加熱、遠(yuǎn)紅外線加熱、直接通電加熱三種活性炭熱再生法的能耗相差不大，約為1.50 kW·h/kg 活性炭。

變壓脫附溫度可以不變，一般吸附48h后減壓或者是抽真空解吸30min。工業(yè)上常用采用二個(gè)或二個(gè)以上的固定床并聯(lián)操作，一個(gè)吸附一個(gè)再生，循環(huán)運(yùn)行。