苏晓濛，汤昊洋，吕伟，戴立红，吴少青，端震(南京市产品质量监督检验院，江苏 南京 210019)

0 引言

当今，全球经济迅猛发展，城市化进程不断增快，工业化取得了日新月异的发展，但同时环境污染问题也日益严峻，特别是VOCs污染备受世界关注。VOCs是PM2.5和O3形成的一种重要前体物质，被认为是导致全球变暖、酸雨、气候变化、化学烟雾以及臭氧层损耗的重要因素，即便它的浓度低到十亿分之一，但也是造成大气重污染的关键。VOCs具有极高的饱和蒸气压，可于自然条件下挥发，且多数有毒、致癌性以及致突变性，严重危害人们的身体健康，导致皮肤刺激、致癌性、肝肾脑损伤以及哮喘等，另外，也会对农作物、植被、海洋生物等生态系统造成不良影响。

1 VOCs 来源

人为VOCs排放主要来自四个环节，分别是VOCs 生产、再加工生产、运输储存和VOCs 产品运用[1]。通常而言，工业挥发性有机物来自炼油、煤化工、初级石化等原料生产，经管道、航空、水路、公路运输、存储石油等整个过程，挥发性有机化合物作为原料的投入到再加工及生产行业，例如纺织生产等，生活中含有 VOCs 的印刷和装饰装修等产品的应用，均会使大量的VOCs排放于环境中。此外，使用含有挥发性有机化合物的产品，譬如说，如装饰材料、衣物干洗、餐饮服务等，这些均会导致VOCs的排放。如图1所示显示了环境中挥发性有机化合物的主要来源。

图1 环境中 VOCs 来源

2 VOCs 的有效治理技术

想要实现对挥发性有机物的有效治理，关键是从生产的源头及过程的控制努力，充分利用清洁生产技术，最大程度地应用挥发性有机物含量较低的物质作为原材料，并通过不断探究和努力，有效研发出一些全新的原材料，用环保健康的原材料替代传统材料，规避环境污染。另外，注重挥发性有机物的末端处理，增加高经济价值的工艺，装卸废弃及储存罐内的呼吸气体，最后依法妥善处理不能进行回收应用的废气[2]。

近些年来，VOCs处理通常采用活性碳纳米管、碳化物衍生碳和活性碳纤维等方法，逐渐引起相关人士的关注。活性炭具有诸多优势：(1)吸附快，微孔发达，孔径分布广泛，能够吸附分子大小不同的物质；(2)对苯、氯仿等挥发性有机物有吸附和回收作用，效果显著；(3)具有疏水性和非极性的表面特点，对非极性物质具有良好的吸附选择性；(4)活性炭原料成本低，生产工业简单，容易脱附再生，常用于吸附剂，用于处理低浓度、大风量和中等相对分子质量的挥发性有机物。其中，使用磷酸法所制的质颗粒活性炭有很少的脱附残渣，且有丰富的表面官能团，同时也有很大的吸附容量。这种制备工艺具备了相应的环保性能及经济性能，其被广泛的应用在了国内外VOCs控制中。可通过将活性炭吸附法与其他处理方法结合的方式提高净化效率，例如，可应用吸附浓缩催化燃烧法以及吸附浓缩冷凝的回收法。

吸附浓缩催化燃烧法：向催化燃烧床送入热气脱附的浓缩VOCs，并应用催化燃烧法开展有效处理。并将活性炭当作关键的载体，并对过渡的金属进行负载，比如：Fe、Cu等作为催化剂，在低温200至25度和低氧条件下，可催化燃烧VOCs，生成水和二氧化碳，该方法比较适用于低浓度、性质稳定的挥发性有机物(如：苯、醛类)的废弃处理。

吸附浓缩冷凝回收法：通过对热气体的应用，把吸附 VOCs活性炭实施脱附，并应用冷凝装置回收方式有效处理脱附出的浓度高的挥发性有机物质。单一组分的高浓度VOCs 废气的治理比较适合应用此类方式，而在治理多组分且浓度低的 VOCs中不适合应用此方法。

3 活性炭吸附法治理 VOCs 的工艺技术

3.1 变压吸附

在恒温没有热源的条件下，对系统压力进行周期性调整，在诸多压力的共同作用下，实现吸附质吸附和脱附的循环运行过程。利用操作模式和范德华力之间的差别性，将变压吸附主要分成了两种类型：一是平衡吸附型，采取普通活性炭分离；二是速度分离型，采取特殊活性炭分子筛分离。多数吸附处理工艺均是在常压条件下实施的，脱附流程为，通过减小操作压力或者利用抽真空方式，实施作业。在具体脱附中，真空度越大，脱附效果越显著。然而，在进行具体操作时，高性能的吸附设备运行时能耗大，因此应对多类因素加以充分考虑，即VOCs的处理成本、吸附效果。一般而言，工业会把脱附压力设置成8～10 kPa。而PSA技术的自动化程度相对较高，可以建立循环运行模式。但是，在特定操作期间，需要进行持续的加减压。这对设备性能具有较高的要求，能耗大，所以说其通常会被有效应用在高级溶剂回收领域[3]。

3.2 变温吸附

所谓的变温吸附，主要是通过吸附剂平衡吸附容量随温度升高而降低的特点，从而在室温下将吸附工作完成，在高温下，实现预设脱附目标。活性炭脱附中，会产生吸热现象，使温度上升，从而实现脱附率的更好提升。假若使用热气体及水蒸气进行脱附，通常而言，脱附温度会在100～200 ℃间，如果在进行VOCs吸附处理时，吸附量指标太高，当吸附质为低沸点的小分子碳氢化合物和芳香族有机化合物时，则其解吸可使用水蒸汽进行，之后再冷凝回收，假若吸附量偏低，吸附质是甲苯、二甲基乙酞胺等VOCs，可使用热空气、热氮气等热气体，通过吹扫完成脱附。

上述工艺完成后，可采取灼烧和再吸附工艺技术回收处理。据有关数据分析，变温吸附技术的应用详细分析了室内常见的二氯甲烷、丙酮、甲酸乙酯等挥发性有机物的回收利用状况，并通过观察我们可以知道，此三类VOCs热氮气再生的理想操作条件为，温度为170 ℃，速率为0.17 m/s。与同变压吸附相比，变温吸附一般使用固定床，固定床吸附率高，设备设施相对简单，工艺比较成熟。

3.3 变温-变压吸附

此类吸附是一类变温与变压吸附二者有效融合而最终形成的吸附方式，基于变压吸附技术，经过变压脱附以后，在变压吸附技术的基础上，是变压脱附后升温脱附的一种工艺技术，其兼备变温吸附和变压吸附两种技术的优势。提高床温，降低塔压，完全实现脱附，最终可实现活性炭再生率的有效提升。

3.4 变电吸附

变电吸附在气体净化和分离中广泛使用，是新时代新发展起来的先进技术，相较于过去传统的变温吸附，其是利用电加热饱与吸附剂完成脱附的，焦耳效应所生成的热量，促进了吸附质的释放。变电吸附用于VOCs处理，具有以下几种优势：

(1)能量可以直接传递于吸附剂，提高能量使用率；(2)加热系统结构简单；(3)热量和质量流方向一致，可提高脱附率；(4)运转成本低，较于热蒸气再生工艺，可节省50%以上的费用；(5)加热效率高，可减少VOCs处理过程中的能耗；(6)可以单独管控气体流速和吸附剂温度的上升速度；(7)再生性能优良，国外研究表明，变电吸附技术经过12次循环应用后，吸附剂的吸附容量仍保持在97%～100%。

4 应用活性炭吸附治理 VOCs 的相关影响因素

4.1 活性炭表面化学性质的影响

活性炭表面官能团的类型及数量同活性炭表面的化学性质存在着一定的相关性，活性碳的化学吸附性会直接由表面化学性质的差别性决定，经过对活性炭表面的化学性质的改变，最终能够优化活性炭VOCs的吸附选择性以及吸附能力[4]。通过氨浸渍对活性炭进行改性，最终的研究结果表明，相比于改性活性炭，酸改性活性炭对邻二甲苯等疏水性挥发性有机物的吸附能力较弱，负载型金属改性，为一类经过负载在活性炭上的金属单质或离子，利用活性炭与吸附质之间的强结合力提高活性炭吸附分离性能的方法。一般会认为，负载金属的改性使活性炭表面的化学性质最终发生了改变，也改变了活性炭极性，这样会让活性炭的吸附主要依靠化学吸附，最终使吸附选择性更大[5]。

4.2 吸附质物性的影响

活性炭自身动力学直径直接决定着吸附质分子是否可以进入活性炭孔隙中。结合排斥理论，只有当活性炭的孔径大于吸附质的分子时，则活性炭的孔径中方可进入吸附质分子，最终的结果证明了，若吸附剂有最大的吸附率时，那么吸附剂孔径与吸附质分子的直径比约为1.7∶3.0。很大一部气态污染物分子的尺寸低于2 nm，鉴于此，微孔是最适合吸附挥发性有机化合物的活性炭内孔。

与此同时，吸附质的性质也会受到沸点、饱和蒸气压、分子量等的影响。活性炭的有效吸附位点数量有限，当活性炭对分子数相似的不同物质进行吸附时，高分子量活性炭饱和吸附容量较大。因高沸点气态物质吸附时易产生毛细冷凝，因此，很容易被吸附。饱和蒸气压和活性炭的饱和吸附容量有关。特定温度下的饱和蒸汽压越高，最终VOCs脱附就越容易[6]。

4.3 操作条件的影响

在吸附期间，活性炭的吸附性能受水分、温度、压力、进口浓度和气体成分等多种因素的影响。因此，针对不同挥发性有机化合物，选择合适的操作条件，至关重要。温度会对吸附平衡和扩散速度造成影响，扩散速率随着温度的升高而增快，直至达到吸附平衡，此时，吸附容量会降低，吸附过程中，温度低于40 ℃最佳。当使用活性炭处理不溶于水的二氯甲烷类VOCs时，气体中含有的水分会影响吸附效果，也可能会导致二氯甲烷脱附。然而却不会对水溶性乙醇类VOCs形成太大影响，此类状况同乙醇极性大以及水能混溶关系密切，一般情况下，工业中所排放出的有机废气中有大量且诸多类型的成分，活性炭吸附多组分VOCs时，它将导致组分间出现竞争吸附，其中存在的 一类组分会影响到另一类组分，且具体吸附中会出现一定的置换情况。

5 结语

对于挥发性有机物的治理，工业上普遍采用活性炭吸附法，然而，此类方式在实际应用中存在一些缺点，如吸附量低，吸附性能易受温度、水气以及湿度等因素的影响，吸附后的活性炭再生能力不够等等。要想使活性炭吸附性能得以进一步优化和改善，必须对活性炭吸附过程中一切可能存在的影响因素进行更深层次的分析与研究。在对活性炭吸附法治理VOCs的影响因素进行分析的同时，对挥发性有机物回收利用设备进行优化创新，设计出最合理的技术操作方法，最终有效的扩展活性炭在VOCs处理中的利用空间。