改性活性炭吸附空气中挥发性有机化合物的研究进展

改性活性炭吸附空气中挥发性有机化合物的研究进展

杨艳娥 郭超

云南六方合源环保科技有限公司 云南省 650000

摘要：根据2020年生态环境部发布的《2020年挥发性有机物治理攻坚方案》,在“末端治理与综合利用”部分,明确提出活性炭吸附法可适用于各种浓度范围VOCs(挥发性有机化合物)的治理,并且是优先考虑的技术。在油气田井下作业过程中,试油求产、酸化压裂等施工之后,油气井返排液中夹带的VOCs,其主要成分是甲烷气体,目前采用的点燃方式容易产生二次污染,已被环保部门明令禁止,因此研究活性炭吸附法去除甲烷气体成为石油行业蓝天保卫战的重点工作之一。分析了活性炭表面化学性质、吸附质的物性等对活性炭吸附法治理VOCs的影响,为VOCs治理专用活性炭的改进和新产品的开发提供了理论依据。基于此，本篇文章对改性活性炭吸附空气中挥发性有机化合物的研究进展进行研究，以供参考。

关键词：改性活性炭；吸附空气；挥发性有机化合物；研究进展

引言

随着生活水平的提高，人们对空气质量越来越重视，空气中有害物质的检测关键在于采样和分析，而采样吸附管的吸附性能取决于其填装材料，填装材料是否合适，直接关系到测定结果的准确性。普通的活性炭管无法实现对大气中TVOC进行全面富集的目。活性炭改性则是通过一定的方法改变活性炭的表面结构，常用的改性方法有表面氧化法、表面还原法、化合物法等。本研究采用新型改性活性炭填充于不锈钢管，用于采集空气中典型气态有机污染物。

1焦化生产系统概述

对于焦化厂来讲，VOCs的逸散区域主要处于化产系统之内，关键污染物是各个槽罐、塔器之内所发散出的物质，如氨、硫化氢等，这些物质的逸散位置处于厂区之内的循环氨水槽、焦油槽等。在所有的槽内均需设置高温，氨气与萘之间有着极高的挥发度，并且有着十分的刺激性，也是导致厂区发生污染的主要污染源。对于此，可以在化产系统之内来投资建设相应的处理装置，对生产尾气进行有效的治理。通过开展调查研究发现，可以采取氮封负压、洗涤吸附等多种回收治理模式，VOCs的处理条件及结果必须要满足相应的排放标准。

2化工行业VOCs废气治理技术

2.1氧化法

该方法是借助直接、或间接的烧灼有机气体，对VOCs废气浓度进行有效控制，使其由危害性较大的物质，与氧气发生反应后转变成危害性较小的二氧化碳与水。目前，包括热氧化法、催化氧化法，主要应用于毒害性较大的VOCs废气治理中，适用于热回收率需求较高的化工厂，应用中需配置热力燃烧式热氧化器、增加助燃剂、连接废气热回收系统等。将热氧化设备与废气热回收系统联后，可提高热量回收率、降低运营成本。催化氧化法主要采用金属催化剂（如Pt、Pd），或非贵金属催化剂（如MnO2），去毒后能延伸其使用时间，两种方法联用可提升应用效用。

2.2生物处理法

生物处理法也称空气污染控制技术，比较优势体现在适用性强、应用范围广、易操作、投资少等方面。从原理看，主要是借助微生物的生理过程完成对VOCs废气有害物质的转化。从处理过程看，主要包括三大流程。一是将VOCs污染物与水接触并使其溶解；二是在液膜扩散低液态浓度的有机物，通过微生物进行吸附；三是借助微生物生理代谢完成对污染物的降解及无害化处理。目前使用的工艺中包括了生物滴滤、生物过滤、生物洗涤，使用的反应器牵涉到传质（三态）问题，所以，从理论研究到实际的普遍化应用情况看，仍需要加大研发设计投入。

2.3冷凝回收法

冷凝回收法以有机物不同温度条件下的饱和度作为前提条件，能够借助提高、降低系统压力的方式，实现对有机物饱和度的调节，并将它从预先设置的蒸汽环境中提取出来。通过对VOCs废气的冷凝效果看，净化程度较高。该方法的缺点是操作难度大，将常温水转变为冷却水的过程中，需要增加较大的运营成本。从适用性看，该方法有利于化解低温、高浓度条件下的VOCs废气。而且，VOCs废气中的毒害物质含量较低，冷凝效率相对较高。

2.4吸附法

吸附法已广泛应用于净化室内空气、大气污染治理、石油化工、煤化工等领域VOCs的回收处理。其原理是利用多孔、比表面积较大的粒状活性炭、碳纤维、硅胶、人工沸石等吸附剂，将VOCs中的污染组分吸附在固体表面，利用吸附剂的吸附、脱附性能达到净化回收目的，吸附法适用于中低浓度有毒有害气体的净化，目前主要采用的方法有直接吸附法、吸附—回收法、吸附—催化燃烧法。

2.5氮封负压法

氮封负压法是指对冷鼓(一般不包括焦油氨水分离装置排渣口)、粗苯、油库区等工段的密封槽罐进行氮封处理,并采用压力平衡技术将各槽罐逸散的低含氧VOCs废气送入煤气负压管道,依托煤气净化设备处理VOCs。该方法杜绝了废气的无组织排放,工艺简单,运行成本低,且无二次污染,对低含氧VOCs废气处理最为有效,被列为《钢铁工业环境保护设计规范》(GB50406—2017)中的推荐方法。但该方法对负压系统内的设备和管道密封性要求较高,若空气进入负压煤气系统,则会影响废气回收效果和煤气净化系统的安全,应严格控制废气中的氧含量不超过2%。

3改性活性炭吸附空气中挥发性有机化合物的研究进展

3.1电化学改性

电化学改性主要通过添加电场进而改变活性炭表面的带电性，使活性炭产生化学变化。活性炭上电势增加时，其表面则带正电荷，增加了其对带负电荷物质的吸附能力；在活性炭上电势较少时，其表面则带负电荷，增加了其对带正电物质的吸附能力。电化学改性是通过改变活性炭上的电势从而改变活性炭的吸附能力。利用KOH与CoCl2成了纳米CoOx干凝胶，将纳米CoOx干凝胶作为正极，高性能活性炭作为负极，并以KOH水溶液作为电解液，组成实验电容器，从而研究高能活性炭材料的电化学性能。研究结果表明：该高能活性材料拥有高比功率和比能量，具有优良的充放电循环能力和良好的可逆性。

3.2表面物理结构改性

物理-化学联用法。物理-化学联合改性法是通过将物理活化与化学活化相结合的一种改性方法。要成功获得微孔丰富的活性炭，一般先进行化学活化，再采用物理活化。利用三氯化铁为添加剂，二氧化碳气体为活化剂，通过物理-化学联合活化法制备改性活性炭。试验表明：三氯化铁-二氧化碳混合体系可以改进活性炭的空隙结构以及孔径分布，改性后孔径稍微下降，但改进活性炭的比表面积增加至原来的一倍，孔径分布相比更加均匀。研究低温等离子体技术改性活性炭，研究结果表明，在超声功率150W，改性时间90min时，改性活性炭的酸性官能团增加70%，对邻二甲苯和间二甲苯的吸附性能均有所提高。

结束语

根据我国对VOCs气体作出的排放及治理要求，在焦化厂所安装的化产系统之中创建有效的回收及处理装置，对尾气开展有效的治理。通过将多种处理技术进行有效结合，并与生产的实际状况相结合，制定与废气相关回收及治理措施，有助于收集、治理VOCs气体。自从实施了该项目之后，VOCs废气的治理工作已经满足了国家规定的要求，使得焦化厂的环保水平得到极大提升

参考文献

[1]李智锐.疏水改性活性炭对高湿度下挥发性有机物气相吸附实验研究[D].浙江大学,2020.000095.

[2]王金洋.VOCs吸附用活性炭的真空脱附行为与阻燃改性研究[D].华南理工大学,2020.005237.

[3]蔡莹.改性活性炭的表面化学性质对甲醛吸附行为影响的研究[D].湖南农业大学,2020.

[4]张东东.活性炭及改性活性炭填充的固定床动态吸附VOCs的研究[D].中南民族大学,2019.

[5]谭雪艳.酸碱改性活性炭对甲醛吸附性能的研究[D].东南大学,2019.