活性碳吸、脱附和催化燃烧组合技术处理有机废气的应用与研究

活性碳吸、脱附和催化燃烧组合技术处理有机废气的应用与研究

王杰斌 聂文浩

菏泽市生态环境局定陶区分局  274100

摘要：本文介绍了活性碳吸、脱附技术和催化燃烧技术的原理和机制，将两种工艺技术进行组合应用，提高处理效率。活性炭吸、脱附+催化燃烧组合技术采用高吸-脱附性能、风阻较小的活性炭材料---蜂窝状活性炭作为吸附剂吸附低浓度有机废气，在一定条件下脱附，达到富集浓缩之目的，脱附下的高浓度有机废气在催化剂作用下，氧化为CO2和H2O等无害物质，成功的解决了大风量、低浓度有机废气治理的难题，是一种低能耗、高净化效率的有机废气净化技术。

关键词：活性碳吸附；活性碳脱附；催化燃烧；有机废气处理；应用与研究

一、引言：

随着工业化进程的推进和环境问题的日益突出，有机废气处理成为重要的研究领域。活性碳吸、脱附和催化燃烧是常用的有机废气处理技术，具有高效、灵活和可行性强等特点。活性碳吸、脱附技术通过吸附有机物分子将其从废气中去除；而催化燃烧技术则利用催化剂在适当条件下将有机废气转化为无害物质。

二、活性碳吸附技术在有机废气处理中的应用与研究

（一）活性碳吸附技术的原理和机制

活性碳吸附技术是一种常用于有机废气处理的重要方法，其原理和机制主要涉及三个方面：吸附、解吸和再生。

1.活性碳吸附的原理在于其具有大量的微孔和介孔结构，能够提供较大的表面积。当有机废气经过活性碳床时，有机物分子会通过物理吸附作用被固定在活性碳表面的孔隙中[1]。

2.解吸是指在达到一定条件下，活性碳上吸附的有机物分子会与载体分离，重新进入气相。这可以通过增加温度、减小官能团间作用力或者改变环境气压等方式实现。解吸是活性碳吸附过程的重要步骤，可使吸附床在一定时间内循环使用。

3.活性碳的再生是指通过脱附和热解等方法，将吸附在活性碳上的有机物分子彻底去除，以恢复活性碳的吸附性能。脱附过程是通过加热活性碳床，使吸附在其中的有机物分子被挥发出来。而热解则是将活性碳暴露在高温下，通过裂解和氧化反应使吸附在其中的有机物转化为气体或无机物。

（二）活性碳吸附剂的选择与性能评价

活性碳吸附技术在有机废气处理中的应用与研究中，活性碳吸附剂的选择和性能评价是至关重要的环节。合理选择活性碳吸附剂，并对其性能进行评价，可以提高有机废气处理效果，确保系统稳定运行。

此外，活性碳吸附剂的性能评价主要包括吸附容量、吸附速度、再生性能和经济性等方面。吸附剂的吸附容量表示单位质量或容积吸附有机物的能力，是评价吸附剂性能的重要指标。

最后，活性碳吸附剂还可能经过表面改性或添加助剂等方式来提升其吸附性能。表面改性可以增加活性碳表面的孔隙结构或导电性，提高吸附效果。添加助剂如氧化铁、金属催化剂等，则可以增强吸附剂对特定有机物的选择性吸附能力。

（三）活性碳吸附技术在有机废气处理中的应用

活性碳吸附技术广泛应用于日常生活和工业生产中产生的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的处理。例如，印刷行业、油漆喷涂行业和食品加工行业等，这些行业中产生的VOCs会对室内和室外的环境产生污染。通过活性碳吸附装置捕获和去除VOCs，可以有效降低这些行业对空气质量的影响。并且活性碳吸附技术也被广泛应用于化学品生产和石油化工等行业中的有机废气处理[2]。在这些行业中，产生的有机废气通常包含大量的有害物质，如苯、甲醛和二甲苯等。通过利用活性碳吸附剂的吸附性能，可以有效地捕获和去除这些有机物，减少对环境和人体健康的潜在风险。活性碳吸附技术在有机废气处理中的应用见表1.

表1:活性碳吸附技术在有机废气处理中的应用

（四）活性碳吸附技术存在的问题和挑战

1.由于活性碳吸附剂在吸附过程中会逐渐饱和，吸附能力下降，因此需要定期更换或再生。然而，活性碳再生过程通常需要高温蒸汽或化学试剂，这既增加了成本，又可能对环境造成污染。

2.活性碳吸附性能与其孔结构、比表面积、表面化学性质等相关，不同类型的有机物的去除效果可能存在差异。在实际应用中，需要根据废气特性选择合适的活性碳，并对其进行优化，以提高吸附效率和寿命。

3.活性碳吸附是一种非选择性吸附过程，除了目标有机物外，它还可能吸附其他无害或有害的物质，如水蒸气和硫化氢等。这可能导致处理效果不稳定，甚至造成二次污染。

4.湿度和温度会影响活性碳的吸附容量和吸附速率，因此在实际应用中需要根据具体情况进行调控。同时，在一些特殊情况下，如高温和高湿度环境下，活性碳吸附技术的效果可能会受到限制。

（五）活性碳吸附技术的优化和改进措施

第一，活性碳材料的选择和制备方法需要优化。根据废气中的有机物特征选择合适的活性碳吸附剂，包括不同类型的活性碳以及经过表面改性处理的活性碳。同时，制备方法也会对活性碳的性能产生影响，如选择合适的活化剂和调控炭化条件等，以获得具有较高吸附容量和选择性的活性碳材料。

第二，应注意活性碳吸附剂的再生和回收利用。针对饱和的活性碳吸附剂，可以通过蒸汽再生、热解解吸等方法进行再生，减少资源浪费和环境污染。此外，可以探索活性碳吸附剂的再生和回收利用术，如在吸附剂饱和前引入一定温度、湿度、气体流速等规范条件下使用活性碳吸附剂，以延长吸附剂使用寿命。

第三，应注重活性碳吸附工艺的优化。通过改变流量、温度、湿度等工艺参数，以提高活性碳的吸附效率。此外，也可以通过引入催化剂、使用多层吸附剂和连续流动循环吸附装置等手段，提高活性碳吸附技术的处理效果和稳定性。

第四，还需加强监测和控制系统的建设。采用先进的监测设备和自动控制技术，实时监测废气中的有机物浓度和活性碳吸附装置的工作状态，及时调整操作参数，以保证活性碳吸附技术的有效运行和优化效果。

三、催化燃烧技术在有机废气处理中的应用与研究

（一）催化燃烧技术的原理和机制

催化燃烧技术是一种常用的有机废气处理方法，其采用催化剂作为催化剂，通过促进废气中有机物的氧化反应来实现净化。催化剂的选择至关重要。催化剂通常由金属、金属氧化物或其他化合物组成，其特定的表面结构和催化活性位点能够促进有机物的氧化反应。合适的催化剂选择可以提高反应速率和选择性。在催化剂的作用下，废气中的有机物与氧气发生反应，生成CO2、H2O以及其他氧化产物。催化剂表面的活性位点能够吸附并活化氧分子，使其与有机物发生反应。这些活性氧物种的生成和利用是催化燃烧过程中的关键步骤，能够提高反应速率和效果。

催化剂通常在较低温度下起作用，不同的有机物和催化剂需要适当的反应温度范围。过低的温度会导致反应速率较慢，而过高的温度可能引起催化剂的热失活或产生不良的副反应。因此，在实际应用中需要根据废气组分和催化剂特性选择合适的反应温度[3]。并且催化燃烧技术还受到反应物浓度、空气过量系数、催化剂负载量等因素的影响。较高的反应物浓度和适当的空气过量系数可以提高反应速率，但过高的浓度可能导致过盈反应和物料冲刷的问题。催化剂负载量的选取与废气流量和催化剂活性有关，需综合考虑以获得最佳效果。

（二）催化燃烧技术在有机废气处理中的应用

有机溶剂废气主要来自涂料、印刷、胶粘剂等行业，在生产和使用过程中释放出大量有机物质，对环境和人员健康造成潜在危害。通过催化燃烧技术，可以将这些有机溶剂转化为无害的二氧化碳和水，避免了有机物对大气的直接排放，净化了废气。

（三）催化燃烧技术在焚烧炉尾气处理中得到了广泛应用

焚烧炉是处理垃圾、医疗废物等固体废弃物时产生的废气的常用设备。焚烧后的废气中常含有大量的有机物和有毒气体，如果直接排放将对环境造成严重污染。通过催化燃烧技术，可以在焚烧炉尾气中添加催化剂，使有机物在高温条件下快速氧化分解，将废气中的污染物有效去除。并且催化燃烧技术还可用于石化、化工等行业的废气处理。这些行业生产过程中常产生含有挥发性有机物（VOCs）的废气。VOCs不仅对环境造成污染，而且具有较高的可燃性和爆炸性。催化燃烧技术在有机废气处理中的应用见表2.

表2:催化燃烧技术在有机废气处理中的应用

（四）催化燃烧技术存在的问题和挑战

催化燃烧技术在有机废气处理中具有广泛应用，但同时也存在一些问题和挑战。催化剂的选择和稳定性是一个重要问题。不同有机物的氧化反应对催化剂的特性要求不同，因此需要选择合适的催化剂。

催化燃烧技术对反应温度要求较高。高温环境不仅增加了设备的能耗和成本，还可能引发催化剂的热失活和生成有害物质的副反应[4]。因此，如何在降低反应温度的同时保持催化燃烧的效果是一个亟待解决的问题。催化燃烧技术对氧气的需求较大。为了提供足够的氧气供催化反应使用，需要通过增加氧气供应量或提高空气过量系数来实现。然而，这样会增加能耗，并可能导致非完全燃烧产物的生成，从而降低了处理效果。并且催化燃烧技术对废气成分的适应性有一定限制。某些废气中可能同时含有多种有机物质，而不同有机物质之间的反应行为和动力学特性可能存在差异。

（五）催化燃烧技术的优化和改进措施

催化剂是催化燃烧技术中起关键作用的组分，其活性和稳定性直接影响废气处理效果。通过改进催化剂的物理结构和化学成分，可以提高催化剂对特定有机物的选择性和氧化活性，降低反应温度，延长催化剂的使用寿命。反应温度、氧气浓度、空气过量系数等因素对催化燃烧反应的效果有重要影响。通过调节这些反应条件，可以实现催化燃烧技术在更宽温度范围内的应用，并提高对废气成分的适应性。此外，通过优化传质和混合等工艺参数，可以提高废气与催化剂之间的接触效果，增强氧化反应的效率。

此外，引入辅助措施，如介质改性和促进剂添加。通过改变反应介质的物理性质或引入促进剂，可以提高催化燃烧反应的速率和选择性。

最后，开发新型的催化燃烧技术和装置。随着科技的不断进步，人们可以不断探索和开发新型的催化燃烧技术和装置[5]。

四、活性碳吸、脱附和催化燃烧组合工艺技术应用

（一）预处理阶段。预处理选用填料式喷淋洗刷塔，喷淋液挑选碱液酸性气体进行中和处理或许选用干式过滤器对粉尘进行过滤处理。

（二）活性炭吸附阶段。通过前面的预处理后，废气通入后端的活性炭吸附/脱附塔进行吸附处理，通过活性炭微孔的有机气体吸附在活性炭表面，去除废气中的有机物，抵达净化气体的作用。

（三）活性炭脱附阶段。当吸附床吸附饱满后，切换脱附风阀和吸附风阀，发起脱附风机对该吸附床脱附。脱附新鲜空气首要通过新风进口的换热器和电加热室进行加热，将新温空气加热到120℃左右进入活性炭床，炭床受热后，活性炭吸附的溶剂蒸腾出来。

（四）催化燃烧阶段。由活性炭脱附出来的废气流量小、浓度高，经过风机送入到换热器，然后进入到预热器，在电加热器的加热作用下，使气体温度提高到200-300℃左右，这时再进入催化燃烧床。促使有机废气气体在催化剂的作用下发生无焰燃烧，经燃烧被氧化为CO2和H2O，并同时放出大量的热能，当气体温度再进一步升高，该高温气体再经过催化燃烧室前的换热器预热未经处理的有机气体，从换热器出来的气体再通过新风入口的换热器，对脱附新鲜空气进行加热。两处换热器正常工作后，电加热设备可停止加热，节约能耗。最终气体就会通过烟囱引至高空排放。

五、结语：

活性炭吸附、脱附+催化燃烧组合技术是将吸附浓缩单元和热氧化单元有机地结合起来的一种方法，主要适用于较低浓度有机气体且不宜采用直接燃烧或催化燃烧法和吸附回收法处理的有机废气，尤其对大风量的处理场合，均可获得满意的经济效果和社会效果。经吸附净化并脱附后转换成小风量、高浓度的有机废气，对其进行热氧化处理，并将有机物燃烧释放的热量有效利用。

参考文献：

[1]黄鑫,焦熙,黄国宝等.甲烷催化燃烧钯基催化剂研究进展[J/OL].低碳化学与化工:1-8[2023-09-06].

[2]牛家宝. 超重力法制备铜锰催化剂及其催化燃烧甲苯性能的研究[D].中北大学,2023.

[3]陈婉茹. SnO_2基催化剂的可控制备及低浓度甲烷催化燃烧性能研究[D].东华大学,2023.

[4]张婷. 机械化学法合成高熵氧化物及其催化燃烧丙烷性能[D].西安工业大学,2023.

[5]王立娟. 钙钛矿型纳米催化剂的制备及其对甲烷催化燃烧性能的研究[D].北京化工大学,2012.