有机废气的各种净化方法--吸附法

吸附操作是上百年来作为从废气中去除可吸附的VOC组分或回收溶剂的一种典型方法。吸附操作的原理是:在气相中需要分离的气体组分(吸附质)可以选择性地与固体表面(吸附剂)相结合，然后再经过解吸又回到气相中去。通常吸附分为物理吸附(范德华力)和化学吸附两类;而VOC废气的净化主要采用物理吸附方法。与其他方法相比，吸附法可以吸附浓度很低的(甚至痕量)组分，经解吸后可大大增浓，因而可以从废气中除去溶剂蒸气和最后经分离来回收溶剂。此外，吸附法有许多优点，例如:它不需要水，自然不产生废水，也不需辅助燃料，而且能适应废气浓度的变化和吸附卤代烃类及含无机物的挥发组分。

当吸附时，气体分子的自由度减少，从而降低了吸附系统中的熵。按照热力学第二定律，系统熵的降低是由向环境给热而得到补偿。因此，吸附过程原则上是放热的。一般讲，在平衡时可吸附的气体量是随温度的降低和要分离气体组分分压的增加而增加。在平衡时可吸附气体的量，通常是与吸附剂表面积的大小成正比。在恒定温度下，气体的吸附量(nads) 与气体浓度和分压(蒸气组分的分压和该温度下饱和蒸气压之比p/po)的关系可用吸附等温线来表示。典型的吸附等温曲线分5种类型，如图2.2所示。由图可知，在较低压力范围内(p/po 约<0.4)，类型1和类型IV的吸附等温线变化是相同的，而相应于这个范围内类型m的吸附等温线则与类型V相类似;当p/po的数值约>0.4时，则类型]和用以及类型IV和V的吸附等温线具有类似的变化规律。

因为吸附过程与许多因素有关，而且吸附剂/吸附质系统使各个因素间的相互作用、变化也十分复杂，所以迄今为止尚未找到一般通用的吸附等温线方程。

影响吸附的主要因素有:

①比表面积;

②颗粒大小分布;

③孔径大小分布;

④晶格;

⑤晶格结构缺陷;

⑥润湿性;

⑦表面张力;

⑧气相中分子的相互作用;

⑨吸附层中分子的相互作用。

工业上吸附等温曲线方程常用经验式表示，而其中BET (Brunauer, Emmet和Teller)[4]方程与实验结果最为吻合。

在实际应用中，当气体混合物通过填装固体吸附剂的床层时，要分离的组分被吸附在固体表面上;当吸附剂达到饱和时，被吸附的物质经过加热或减压而解吸，同时吸附剂再生。由于吸附剂的吸附容量较低，因此至少需用两台吸附器来完成吸附、解吸的连续操作过程。若用热空气或过热蒸气来解吸，则不仅可使床层温度升高，而且还可使要吸附的气体组分的分压降低;分离出的气体组分就处于热空气或水蒸气中，经冷却、冷凝而分离。在用水蒸气解吸的情况下，由于大多数VOC在水中的溶解度极低，经冷凝而成为两相，因此很容易分离。

有机废气净化常用的吸附剂是活性炭或活性焦炭，因为它们不仅具有较大的比表面积，而且对非极性物质，如有机溶剂具有非常好的吸附能力;相反，对极性物质如水，则吸附性很差，因此就有可能和方便地用水蒸气来再生。常见的吸附剂特性数据如表2.1所示。

除上述吸附剂外，近年来还开发了各种高聚物吸附树脂，如聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺类的高聚物等。

吸附法常用于净化气质量要求特别高的场合。如果与吸收法相比，则在气体处理量非常大的情况下，其投资费和操作费明显要高得多，有时可能高出两三倍。但是在气体处理量相对较小的情况下(小装置)，吸附法就有其优点，因为它不需要像吸收法那样为液体循环付出高昂的操作费。与其他气体净化法相比，吸附法多出的费用也可通过回收有价值的溶剂而得到补偿。因此，工业上废气净化的吸附法主要用于溶剂回收的场合，所用的吸附剂大多是活性炭。

吸附方法的净化率一-般都较高。但吸附法的缺点是:吸附剂的吸附容量低，一般只有40%左右，因此必须频繁地进行吸附、解吸和再生操作。此外，回收溶剂需要一套后续装置，例如蒸馏、精馏等装置，并根据不同溶剂采用不同的过程方法。用水蒸气再生后回收溶剂的方法有如下几种。

①溶于水的溶剂，例如丙酮、乙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺，用蒸馏方法。②部分溶于水的溶剂，例如甲乙酮、丁酮、醋酸乙酯、乙醇/甲苯，用增浓/冷凝和蒸馏方法。

③不溶于水的溶剂，如汽油、己烷、甲苯、二甲苯、氯化烃类，用相分离方法。

如果生产过程中没有多余的水蒸气(即水蒸气可以不计成本)，那么以前常用水蒸气解吸的方法，目前大多采用高温气体进行解吸。这是因为用水蒸气解吸不仅能耗高，而且在蒸汽解吸后还要用高温气体将床层进行干燥。通常可选用比废气流量小得多的惰性气体来解吸，并且要求其容量大、无爆炸危险。解吸出带溶剂的气流，如果没有回收价值，一般还要用热力氧化或催化氧化进行最后净化处理。

目前，工业吸附装置的类型主要有:固定床吸附器，转子吸附器，流化床吸附器和移动床吸附器。最经典、常用的是采用颗粒状吸附剂的固定床吸附器。因为固定床吸附器具有大的吸附剂体积和较长的吸附循环周期，即使当进人的废气浓度有波动时也能保证安全操作，所以获得广泛应用。当吸附剂达到饱和时，必须用适当方式加以再生。因此，工业吸附装置至少要两台，即当一台在吸附时，另一台进行解吸和再生。图2.3表示了用水蒸气解吸的吸附装置流程示意图。

通常在固定床中放置活性炭或疏水性沸石作为吸附剂。虽然这种吸附剂对有机溶剂具有优良的吸附性能，但对于来自生产过程大约70~100°C的有机废气，一般还应将其冷却到相宜的吸附温度，大致在30~40°C之间。这样可降低废气的相对湿度，使水蒸气的吸附降到最低。废气经冷却后用风机送入吸附器，并由下向上通过床层;此时溶剂蒸气被吸附剂吸附，净化气则从顶部离开吸附器。因为吸附剂有一定的吸附容量，如果当排出的净化气中溶剂浓度已达到允许的限值时，则就应该将废气切换到另-台吸附器去吸附，而自身进行再生。如图2.3所示，再生可用约130°C的水蒸气，与吸附过程相反自上而下通过床层。开始解吸出的是液体，随着温度升高而呈蒸汽态;同时与冷凝液以及水蒸气一起进人收集槽，基于有机相和水相的密度差而分离。除了上述固定床吸附器外，在有机废气净化的领域中相对较新开发的是旋转式吸附系统。这种称为“转子吸附器”的工作原理如图2.4所示。按构造形式和容积流量的不同，废气可径向或轴向地通过装有吸附剂的转子，并经过大部分的旋转床层而被净化。转子的-定部分留作解吸用，即热的气体以逆流方式通过转子。由于转子连续旋转或按扇形节拍旋转，因而吸附器的每一个部分均可经过解吸区。为避免废气和解吸气体间的相混，转子用扇形隔板分开。转子吸附器的吸附剂结构是专门设计的，通常做成有平行通道的蜂窝块(Monolith) 或呈波纹的卷状物。由于吸附剂具有的这种特殊结构，所以它本身就可阻止气体在圆周方向流动，同时还降低了流动阻力。

转子吸附器的优点是设备体积小、操作方便、压降低;另外，它可以连续地将大的废气流量处理成浓度足够低的净化气，而解吸出的气体则浓度高而流量低，一般增浓比可达10~15，这样可以方便地用于下一一步的净化处理。

一般讲，吸附法适合于小到大的废气流量;对于特别大的体积流量，例如废气流量超过100000Nm3 /h或浓度极低，则优先采用吸附法[6」。吸附法的投资费和操作费较高，而且吸附剂使用一定时间后也需要更换。因此，只有当溶剂能回收时，才能降低其投资费用。

在VOC废气的净化中，吸附法也常与其他方法联合使用，特别是当经吸附后未达到排放要求时，或先将有机废气浓缩，然后再用燃烧氧化法作最后净化。转子吸附器与热力氧化器相结合的VOC废气净化装置如图2.5所示。
废气进入转子吸附器(1)， 吸附后净化气用风机(2)送到排气简(3) 排入大气;新鲜空气(4) 先经换热器(5)加热后作为解吸用热空气进人转子吸附器(1)，并将吸附的VOC解吸;解吸后气体用风机(6)送到换热器(8)再进一步预热，然后进入热力氧化器(7) 中燃烧，燃烧后净化气经换热器(8)、 (9)冷却后送人排气筒(10) 排入大气。

该装置是由atea WKUSA Inc.为处理半导体生产中所产生的VOC废气而设计的，其废气处理量为75000scfm0 (127425Nm3/h), 单台处理量为37500scfm(63712Nm3/h)，吸附浓缩比达20:1。通常这种转子吸附/热力氧化的设备都设计成一个紧凑的整体装置。