(VOCS )活性炭吸附回收技术综述

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挥发性**物 (VOCS )活性炭吸附回收技术综述

脱附是创造与低负荷相对应的条件 , 引入物质 或能量使吸附质分子与活性炭之间的作用力减弱或 消失 , 除去可逆吸附质。传统的脱附方法有水蒸 汽、 热气体脱附, 变压脱附, 溶剂置换 , 近年又出 现了电热法、 超声波再生法、 微波辐照等新兴脱附 方法 。 

2.1 水蒸汽、 热气体脱附法 

适用于脱附沸点较低的低分子碳氢化合物和芳香族**物, 水蒸汽热焓高且易得 , 经济性 、 安全 性好 , 但是对于高沸点物质的脱附能力较弱 , 脱附周期长, 易造成系统腐蚀, 对材料性能要求高;回收物质的含水量较高 , 解吸易于水解的污染物 (如卤代烃 )时会影响回收物的品质 ;水蒸汽脱附后, 吸附系统需要较长时间的冷却干燥才能再次投入使用, 还存在冷凝水二次污染的问题 。与水蒸汽解吸相比, 热气体解吸的冷凝水二次污染很少 , 回收到的**物含水量低 (对于水溶性的**物更 显优势 ), 便于进一步精制回收 , 再生干燥 、 冷却时间短 , 对吸附系统材料要求较低。热气体脱附的缺点是气体热容量较小, 气体热交换所需面积相对较大, 如果直接采用热空气解吸, 可能存在一定的危险性 , 而且氧的存在会影响回收物质的品质 , 所以需要控制再生气体中氧的含量 , 增加回收费用 。 一些学者对热气体解吸提出了改进:2002年 Reiter 提出再生蒸气与待吸附污染气流顺流的方法以提高脱附效率、 延长活性炭的使用寿命, 并采用周边空气而非传统的净化后气体作为干燥用气[ 32] 。 Flink 采用空气、 惰性气体混合气体进行循环解吸[ 33] 。

 2.2 溶剂置换法 

以药剂洗脱和**临界流体再生法为代表, 通过改变吸附组分的浓度 , 使吸附剂解吸 , 然后加热排除溶剂 , 使吸附剂再生。药剂洗脱法适用于脱附高浓度、 低沸点的**物, 使吸附质与适宜的化学药品反应 , 让活性炭再生, 针对性较强 , 往往一种溶剂只能脱附某些污染物, 应用范围较窄。所用**溶剂价格高 、 有些具有毒性, 会带来二次污染 , 活性炭再生不彻底 , 易堵塞活性炭的微孔, 多次再生后活性炭的吸附性能明显降低 。**临界流体再生法 以**临界流体作为溶剂, 将吸附在活性炭上的**污染物溶解于**临界流体之中 , 再利用流体性质与温度和压力的关系 , 将**物与**临界流体分离 , 达到再生目的 , 一般使用CO2作为萃取剂。 1979 年 , Modell**采用**临界 CO2从活性炭上再生酚 , 该法操作温度低 , 不改变吸附物的物理、 化学性质和活性炭的原有结构 , 活性炭基本无损耗 , 便于收集污染物, 有利于吸附质的重新利用 , 切断二次污染 , 可实现连续操作 , 再生设备占地小, 能耗少 。但是, 该法所研究的**污染物十分有限 , 难以证明应用的广泛性[ 34] 。 

2.3 电热解吸法 

Fabuss和 Dubois在1970年利用吸附材料的导电性, 向吸附饱和后的吸附剂施加电流, 利用焦耳效应生热, 为解吸提供能量。目前, 有两种方式产生电流 :电极直接产生电流和电磁感应间接产生电流 。与传统变温解析法相比, 电热解吸法再生气体流量可以减少10% ～ 20%, 效率高 , 能耗低, 处理对象所受局限较少 。但是直接加热时会出现过热点 , 影响吸附床层温度的控制 , 难以放大 , 另外电极布置连接和绝缘方面还有待进一步深入研究[ 35] 。 

2.4 微波脱附法

活性炭可以吸收微波能量用于解吸吸附质。微波加热速度快 , 只需常规方法的1/100 ～ 1/10的时间就可以完成 , 且加热均匀, 只对吸收微波的物料有加热效应, 能耗低, 设备、 操作简单 , 再生效率高, 便于自动控制 , 但是由于微波加热过程是封闭的, 脱附物质不能及时排除, 对再生效果会产生一定影响。 Ania等分别用2450MHz的微波和传统电 热法对吸附苯酚饱和的活性炭进行再生 , 发现微波可以显著缩短解吸时间, 且活性炭吸附容量损失少[ 36] 。宁平等运用微波辐照再生吸附有甲苯废气的活性炭 , 并对解吸气进行冷凝, 甲苯回收率达60%以上[ 37] , 接近化学纯。王宝庆用微波解吸再 生负载乙醇活性炭, 3 ～ 4min后脱附率达 90%以 上[ 34] 。

 2.5 超声波再生 

不同学者对超声波解吸的机理有不同的解释 : Yu、 Bässler、 Hamdaoui等认为是声空穴产生的高 速微型射流和高压冲击波导致吸附质解吸 , Breit- bach等认为是超声波的热效应加速吸附质的解吸 。 我国学者认为超声波与不同相界面或其他超声波波 峰相遇时 , 会产生巨大的压缩力, 随着波的反弹形 成一个个微小的 “空化泡 ”, “空化泡” 爆裂时爆 炸点的温度和压力陡然上升, 可以将能量传递给被吸附物质 , 加剧其热运动, 从吸附剂表面脱离。由 于超声波只是在局部施加能量 , 因而能耗较小, 炭损失小, 工艺设备简单 。 Hamdaoui的研究结果表明超声波可以显著提高 p-氯苯的解吸速率, 在 21 到 800kHz的范围内, 解吸速率随着频率的升高而加快 , 且在超声波到达 38.3W之前 , 活性炭的稳定性未受到影响[ 38] 。

利用 VOCS在不同温度和压力下具有不同饱和蒸气压的性质, 降低系统温度或提高压力, 使VOCS从废气中分离 , 特别适用于回收气量小 、 浓度高 (≥1000ppm)、 沸点** 38℃的**蒸汽 。 该法设备和操作条件比较简单 , 回收物质的纯度较 高, 但是传统冷凝法一般采用水作为冷却剂 , 由于水与环境温度相差不大 , 故只适用于回收高浓度 、 高沸点的VOCS, 若要回收低沸点 、 低分子量的**物 , 则需对水进行降温 , 增大了能耗和运行费 用[ 39] 。

近年来又出现半导体制冷和液氮冷凝等新型冷却法 , 它们体积小、 制冷*、 冷量调节范围宽 、 无机械运动及冷热转换快, 应用前景广阔。谢兰英等使用半导体制冷器对三种VOCS进行冷凝实验 , 只需 1.5min就可以把 115℃的VOCS气体冷却至 -10℃[ 40] 。 VineetKGupa等人对双组分 VOCS 混合气体进行了液氮冷凝, 结果表明该法可以适应 VOCS浓度的大范围变化, 将 VOCS的排放浓度降低 到 ppbv级, 且使用后的氮蒸气可用于其它工艺[ 41] 。

从目前的技术发展趋势可以预测 :

 4.1 正如美国 EPA所指出的 , 活性炭吸附是去除 VOCS “可采用的较好技术 ”。特别是活性炭固定床 吸附变温再生技术适合我国现有的经济、 技术水平 , 且回收纯度高 , 将成为未来发展的主流。设计 、 制造具有更佳吸附性能或满足特定需求的新型活性炭 , 寻找行之有效的活性炭表面改性方法 ;加强对活性炭吸附过程影响因素的研究 , 提高吸附效率 ;强化 VOCS吸附分离过程的计算机模拟和智能控制, 实现吸附与脱附的连续操作, 将是近期主要的研究课题 。

 4.2 活性炭流化床传质阻力小 、 处理气量大 , 传热好, 若能解决床层返混 、 设备磨损等问题, 就可以得到广泛的应用。 

4.3 微波、 超声波等新兴解吸脱附方式可以显著降低吸附分离过程的能量消耗 , 也是未来的一个研 究热点 。 

4.4 开发汇集冷凝、 吸收 、 膜分离 、 变压吸附等工艺的组合流程 , 扬长避短, 也将成为VOCS回收技术的趋势 。