工業VOCs 治理活性炭動態吸附容量實例研究

周 飛，陸效磊，金小賢，張紀文，徐遵主

（1.江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036；2.南大恩潔優環境技術（江蘇）股份公司，江蘇 南京 210093）

0 引言

活性炭吸附是工業治理VOCs 最常用的技術，高品質活性炭活性及其正確規范使用是實現VOCs 減排的關鍵[1-2]。2022 年8 月江蘇省開展活性炭核查[3]，結果表明，因活性炭應用企業普遍存在活性炭更換頻次不夠、以次充好、以假亂真、填充不規范等問題，導致大量工業VOCs 超標排放。對此，制定合理的政策要求、規范活性炭治理市場、提高執法監督力度對實現國家減污降碳和企業廢氣達標排放目標尤為重要。

在實際工程應用中，深入研究活性炭動態吸附容量比對活性炭品質把控和規范設計具有更高的經濟價值和實際意義[4]，原因是由于動態吸附容量在揮發性有機物（VOCs）廢氣治理過程中具有兩大作用：①在設計活性炭吸附裝置過程中，動態吸附容量主要用于確定在一定更換（或再生）周期條件下活性炭的裝填量；②在活性炭吸附裝置的運行維護過程中，動態吸附容量主要用于核算活性炭的更換（或再生）周期。對于不同品質活性炭及不同應用工況，活性炭動態吸附容量差異較大。目前，關于活性炭的研究大都集中在微觀結構及小型實驗室條件下的動態吸附容量，故無法指導工程實踐。

通過歸納整理有關活性炭動態吸附容量的最新政策，并對其動態吸附容量與品質的關聯性進行系統探究，詳細介紹了拋棄式顆?；钚蕴?、可再生顆?；钚蕴?、可再生炭纖維3 種材料的動態吸附容量應用實例。

1 關于活性炭動態吸附容量的相關政策

活性炭動態吸附容量是一個復雜的與諸多工藝條件相關聯的特征參數[5]，也是一個綜合衡量活性炭吸附性能的重要技術指標?；钚蕴科焚|、廢氣流量（流速）、廢氣中VOCs 污染物成分及濃度、溫度、壓力、濕度、含塵量等多種因素決定了活性炭動態吸附量大、小，但其中的構效關系還有待進一步探究。

研究活性炭動態吸附量的基本數值范疇對活性炭基礎研究和工程應用均有重要意義。最早《現代涂裝手冊》[6]對活性炭吸附容量做出規定：“ 活性炭對有機溶劑蒸汽……除低沸點堿性氣體外，吸附容量約在10%～40%范圍內，一般為25%左右”，以后大多數環評文件均引用了該數值，但并未區分該數值是吸附容量而并非動態吸附容量，故使得行業中大多數從業者在計算活性炭再生及更換周期時引用數據錯誤，導致計算結果偏大，影響了工程應用。

2017 年，原環境保護部《關于發布計算污染物排放量的排污系數和物料衡算方法的公告》 規定活性炭動態吸附量為15%（該文件要求：“采用活性炭吸附處理工藝，直接將‘活性炭年更換量×15%’作為廢氣處理設施的削減量，并對照處理量進行復核，避免削減量大于處理量?！保?。2021 年，蘇環辦〔2021〕218 號《省生態環境廳關于將排污單位活性炭使用更換納入排污許可管理的通知》 進一步收嚴活性炭動態吸附容量的要求，規定無設計方案時，活性炭對VOCs 動態吸附量一般取值為10%（如高于10%，應上傳含有動態吸附量取值依據的活性炭性能證明文件）。2022 年，蘇環辦〔2022〕218 號《省生態環境廳關于深入開展涉VOCs 治理重點工作核查的通知》提出：“采用一次性顆粒狀活性炭處理VOCs 廢氣，年活性炭使用量不應低于VOCs 產生量的5 倍”，即活性炭對于VOCs 的動態吸附容量按20%計算。

以上大部分數據均基于過往經驗，大部分相關研究也均停留在微觀層面。而基于實驗室小型試驗雖取得相關數據和結論，但由于缺乏實際應用工況下的研究，難以指導實際工程應用。

2 活性炭品質與活性炭動態吸附容量的關系

2.1 活性炭品質相關政策要求

江蘇《工業有機廢氣治理用活性炭質量標準》（征求意見稿）提出了活性炭類產品的常規性能及推薦技術指標。碘值作為一項最常用指標常出現在各項政策文件中，其次為比表面積。2021 年8 月4 日，生態環境部環大氣〔2021〕65 號《關于加快解決當前揮發性有機物治理突出問題的通知》 規定：“采用顆?；钚蕴孔鳛槲絼r，其碘值不宜低于800 mg/g，采用蜂窩活性炭作為吸附劑時，碘值不宜低于650 mg/g” 和 “采用活性炭纖維作為吸附劑時，其比表面積不低于1 100 m2/g（BET 法）”。2022 年7 月12 日，江蘇省生態環境廳發布蘇環辦〔2022〕218 號《省生態環境廳關于深入開展涉VOCs 治理重點工作核查的通知》 規定：“顆?；钚蕴康馕街怠?00 mg/g，比表面積≥850 m2/g”、“蜂窩活性炭碘吸附值≥650 mg/g，比表面積≥750 m2/g”。

與活性炭吸附性能直接相關的技術指標見表1。

表1 活性炭產品吸附性能相關技術指標

2.2 活性炭品質指標

根據Langmuir 吸附理論，吸附劑的吸附容量與比表面積和總孔容成正比。碘值是活性炭在碘水溶液中吸附碘的量，碘在水溶液中的主要存在形式為I2，也有少量的I3-1，碘值可表征活性炭吸附劑大于1.0 nm 的微孔發達程度[7]，最早用來評估活性炭對于液體物質的吸附能力，在VOCs 治理工藝設計中，也可作為吸附劑選擇的主要依據。四氯化碳吸附率[8]（即CTC 值）一般代表著活性炭吸附氣體的能力，是采用氮氣攜帶0 ℃下飽和四氯化碳蒸氣通過25 ℃的炭床來測量。在規定條件下，丁烷工作容量[9]是指正丁烷氣體通過已知體積和質量的活性炭樣品，得到飽和吸附量，再用潔凈干燥的空氣或者氮氣洗吹炭層，飽和吸附量與洗吹后仍然殘留在活性炭上的丁烷量之差?？讖浇橛?.2～6.0 nm、高孔容的活性炭丁烷工作容量較高。苯吸附率是將活性炭置于充滿苯蒸氣的吸附儀中，在（24 ± 1）℃恒溫下吸附24 h所得的靜態吸附容量。

碘值、CTC 值、丁烷工作容量、苯吸附率、比表面積均可在一定程度上表征活性炭的總孔容和微孔孔容。以上數值越高，說明活性炭對VOCs 氣體的吸附能力越強、品質越好，如：碘值為800 mg/g 已被大多數活性炭生產廠家設置為高品質顆?；钚蕴孔罨镜某鰪S指標。但HJ 2026—2013《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》 規定：“6.3.3.2……吸附床層的吸附劑用量應根據廢氣處理量、污染物濃度和吸附劑動態吸附量確定”。相較于碘值等指標，該文件強調活性炭對VOCs 的動態吸附容量在指導工業VOCs 吸附裝置設計和確定其更換或再生周期中的重要性及主導地位。一般常用CTC 值代表活性炭吸附揮發性有機物的能力，與其動態吸附容量相關性最高。

為進一步探究活性炭品質的影響因素，選取5款應用于實際工程的顆?；钚蕴窟M行測試，為保證結果的科學性，5 款活性炭的碘值保持較小差異（833～941 mg/g）。5 款顆?；钚蕴康庵导捌銫TC 值對比見表2。通過實際測量發現，5 款碘值相近的活性炭有著截然不同的CTC 值（50.2%～97.2%），如：碘值為853 mg/g 的顆?；钚蕴緾TC 值比碘值為941 mg/g 活性炭低45%，故導致2 種活性炭的市場售價差額超10 000 元/t。因此，在日益嚴峻的環保壓力下，活性炭碘值作為單一評價活性炭品質的指標已無法滿足進一步減污降碳的環保需求，進一步研究活性炭的VOCs 動態吸附容量等指標對減污降碳環保需求有著重要意義。

表2 5 款顆?；钚蕴康庵导捌銫TC 值對比

3 不同應用條件下活性炭動態吸附容量應用實例

3.1 拋棄式顆?；钚蕴抗に?/h3>

拋棄式顆?；钚蕴康膭討B吸附容量可較好地指導其更換周期。某制藥企業實驗室研發設置3 套 “堿噴淋” +“ 除霧（水洗）”+ “活性炭吸附” 處理系統。該系統廢氣處理工藝流程見圖1?；钚蕴吭O備的主要設計參數：①處理風量：5 000 ，25 000 和33 000 m3/h；②長×寬×高：3 m×1.8 m×2.8 m，3.5 m×2 m×3.8 m，3.5 m×2.2 m×4 m；③活性炭類型：顆?；钚蕴?，多層布置避免板結；④填充量：0.8 ，2.5 ，3.5 t；⑤更換頻次：3 個月更換一次，年更換量為27.2 t；⑥活性炭參數：CTC 值≥60%、碘值≥900 mg/g。

圖1 拋棄式顆?；钚蕴繌U氣處理工藝流程

該活性炭處理裝置氣體流速為0.5 m/s，停留時間超1 s，滿足標準規范設計要求，活性炭品質也滿足政策規范要求。易揮發有機試劑年使用量約10 t，按揮發量20%計可得VOCs 年產生量為2 t，全年工作時長按200 d 計，每天工作8 h，年平均排放質量濃度為18.9 mg/m3。為確保廢氣達標排放，該企業活性炭年更換量為27.2 t，按VOCs 被完全凈化估算可得該吸附裝置的活性炭動態吸附容量為7.3%。系統運行2 年后，對處理設備（處理量為33 000 m3/h）中非甲烷總烴（NMHC）排放濃度進行抽檢，NMHC 的進氣質量濃度為18.7 mg/m3，排氣質量濃度為3.2 mg/m3，處理效率為83.1%。該企業嚴格按照動態吸附容量更換活性炭，廢氣處理裝置可穩定達標排放，其真實動態吸附容量低于政策建議值。

3.2 可再生顆?；钚蕴抗に?/h3>

可再生活性炭的吸附周期受其動態吸附容量的影響較大。某企業廢氣工藝流程見圖2，廢氣經過濾后由裝有顆?；钚蕴康奈焦迌艋笈欧?，吸附飽和后的活性炭由水蒸氣進行再生，再生后廢氣進行冷凝回收再利用。該裝置共有4 個吸附罐，通過循環吸附再生實現廢氣的連續凈化。工藝設計條件：①設計風量：35 000 m3/h；②處理介質：VOCs 和臭氣；③廢氣源強：ρ（VOCs） ≤1 000 mg/m3、臭氣濃度≤4 500（無量綱）；④顆?；钚蕴课剑篊TC 值≥80%；⑤臥式吸附罐：氣流速度為0.5 m/s，停留時間為1 s，單罐阻力為600～800 Pa，活性炭填裝總量為6.5 t；⑥再生工序：吸附→蒸氣脫附→熱烘干→冷烘干→靜置→吸附，再生時長為1.5～2 h。

圖2 可再生顆?；钚蕴课焦に嚵鞒?/p>

以活性炭動態吸附容量為10%計，35 000 m3/h下VOCs 質量濃度為1 000 mg/m3，理論吸附周期可達12 h，實際廢氣源強質量濃度低于1 000 mg/m3。設備運行初期，活性炭吸附周期為10 h，隨著活性炭脫附次數的增加，吸附效果逐漸變差，運行10 d 后即出現超標情況，超標污染物主要為二氯甲烷。遂對生產車間進行減風增濃改造，調整設備風量為7 000 m3/h，活性炭罐的氣體流速更改為0.1 m/s，停留時間為5 s。監測1# 吸附罐進、出口廢氣濃度變化，具體見圖3。460 min 的吸附周期內，活性炭對于不同VOCs 的動態吸附容量見表3。

圖3 1# 吸附罐吸附周期內各污染物進、出口濃度變化

表3 顆?；钚蕴繉τ诓煌镔|的動態吸附容量

由表3 可以看出，同樣工況條件下，活性炭對于不同污染物凈化效率從高到低順序為乙酸乙酯＞丙酮＞三氯甲烷＞二氯甲烷，其動態吸附容量受其濃度、物性影響較大。

3.3 可再生炭纖維吸附工藝

某企業廢氣采用 “酸洗”+ “堿洗” +“除霧” +“兩級活性炭纖維吸附-蒸氣再生-冷凝回收” 組合工藝進行處理，其工藝流程見圖4。主要設計條件：①設計風量：9 800 m3/h；②處理介質：醇類、酯類、苯系物、二氯甲烷等VOCs；③廢氣源強：ρ（VOCs）≤2 000 mg/m3；④活性炭纖維性能參數：比表面積≥1 200 m2/g；⑤環式活性炭吸附器：氣流速度為0.15 m/s，單級停留時間為1.5 s，單罐阻力為1 500～2 000 Pa；⑥吸附再生工序：吸附（100 min）→蒸汽脫附（30 min）→吹冷（14 min）→靜置→吸附，再生時長40～60 min；⑧活性炭纖維更換周期：3～5 n。

圖4 可再生炭纖維吸附工藝流程

該系統穩定運行1 年，廢氣進氣中NMHC 質量濃度為1 485 mg/m3，處理效率可達98.2%，穩定達標排放。吸附周期為100 min，活性炭纖維的填裝體積為15 m3，填裝量為1 200 kg，一個吸附周期內吸附時將2 個吸附罐串聯，炭纖維有效吸附質量為800 kg。經計算活性炭纖維的吸附容量約3%（1 485×98.2%×9 800×100 ÷ 60 ÷（800×1 000） = 29.7 mg/g ≈3%），其動態吸附容量遠低于10%的動態吸附容量設計值。在同樣工況條件下，實驗室模擬上述活性炭纖維對不同物質的動態吸附容量見表4。

由表4 可以看出，不同物質差別較大?；钚蕴坷w維對于二甲苯的動態吸附容量（25.3%） 約為丙酮（2.4%）的10倍。

4 結論

衡量活性炭吸附品質的指標主要包括碘值、CTC 值、丁烷工作容量、苯吸附率和比表面積，碘值作為政策標準文件中最常用的活性炭評價指標，由于其評價指標過于寬泛，故難以滿足更高水平的環保技術要求。而活性炭動態吸附容量對于規范VOCs 治理市場具有重要意義，在多個政策文件中被反復提及，結合多個工程案例現場數據，以活性炭動態吸附容量指導活性炭更換及再生周期具有極大的契合度和實用價值，尤其是再生型活性炭，實際動態吸附容量常低于10%的原則性數據。

研究不同品質活性炭在實際應用條件下的動態吸附容量，從政府監督管理、生產企業活性炭品質、環保企業活性炭治理技術設計、終端應用客戶運行管理等角度給出進一步規范VOCs 治理領域活性炭治理技術的政策建議，對提升VOCs 治理管理水平、進一步落實減污降碳具有重要意義。