汪俊
苏州科文环境科技有限公司 江苏 苏州 215000
摘要：通过了解活性炭吸附VOCs的过程，分析活性炭在实际应用中，有关活性炭吸附容量、吸附效率、更换周期的理解。
关键词：VOCs 活性炭 吸附
Analysis of activated carbon adsorption in VOCs waste gas treatment
Wang Jun
Suzhou Canvasip Environmental Technology CO.,LTD，Suzhou City, Jiangsu Province，215000
Abstract: through understanding the adsorption process of VOCs by activated carbon, the understanding of adsorption capacity, adsorption efficiency and replacement cycle of activated carbon in practical application was analyzed.
Key words: VOCs Activated carbon Adsorption
1 前言
现阶段我国VOCs重点整治工作已经持续开展一段时间，雾霾的污染现状也有所好转，相关VOCs的治理技术也不在持续发展，更新换代，为VOCs的整治工作提供了有力保障。与此同时也存在一些实际问题：
（1）环保企业很多，但还有不少设计技术水平不高，对治理技术原理认识不够，大部分依葫芦画瓢，不能视现场情况的变化而变化，不能真正解决VOCs的治理问题。
（2）使用单位为降低投入，简化处理设施，甚至只是为了应付环保；还有对处理设备运行不重视，出现问题不能第一时间发现、解决；设计单位对设备运行出现的问题不能知晓，导致无法为今后设计提供实际经验数据。
（3）VOCs成分有几百种，每种成分处理工艺的选择，应依据废气的风量、成分、浓度、理化性质等来综合分析、选择，体现处理工艺的针对性。
本文就活性炭吸附VOCs的过程，分析活性炭的吸附有效性。
2 吸附特性
VOCs治理中常用的活性炭主要是经高温活化后的媒质型炭，按其形状主要分为颗粒碳和蜂窝碳。使用活性炭作为VOCs废气治理的吸附剂：一是，在一定温度范围内，活性炭可与废气分子间产生的范德华力和化学键组合，具备了吸附特性；二是，表面具有强大的孔隙结构，造就了活性炭在相同的体积下，具备了超大的比表面积，从而增大废气分子与活性炭接触的吸附面积，提升了吸附效果。【1】
3 影响因素
3.1 活性炭吸附参数
针对活性炭本身而言（不考虑外部因素，如：水份、灰分的影响），常用四氯化碳、碘、亚甲蓝这三种物质的吸附值来衡量其吸附性能【1】，吸附值越高，代表其孔隙结构越发达，比表面积越大，吸附效果越好。
在实际选用中，应根据不同的需求，选择不同的衡量指标。四氯化碳值主要考核对气态物质的吸附能力，碘值主要考核对液态物质的吸附能力， 亚甲蓝值主要考核活性炭的脱色能力。
3.2 VOCs废气特征
VOCs污染源特征调查是VOCs治理工艺的比选必要条件之一，其特性决定了是否可以采用活性炭进行吸附。
活性炭在VOCs治理应用中，一般用于常温、常压、低浓度、气态型废气处理；与活性炭吸附选用相关的废气特性包括：风量、温度、浓度、湿度、颗粒物，以及污染因子理化性质（分子量、沸点、熔点等）。
3.3 设计参数
市场中活性炭所标的吸附值一般为其静态吸附值，而实际VOCs工程应用中，往往都是动态吸附，因此在设计处理设备时，选择一个与活性炭吸附值有效匹配的设备参数，显得尤为关键。
依据目前已有的《吸附法工业有机废气治理工程技术规范（HJ 2026-2013）》，明确规定了采用不同吸附材质所设计的气流速度：蜂窝碳低于1.2m/s，颗粒碳低于0.6m/s，活性炭纤维低于0.15m/s。
4 吸附过程
活性炭吸附主要经过四个阶段，分为吸附区、饱和区、平衡区、穿透区。
4.1 吸附区、平衡区
VOCs废气刚开始进入活性炭吸附时，主要表现为废气浓度随着经过碳层距离越长，其浓度会越来越低，直至废气浓度与选用活性炭的吸附性能达到一个吸附平衡点【2】，之后浓度将保持不变。见图1：
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图1 吸附区、平衡区
根据图1，可以通过改变相关初始条件，来分析一些变化情况：
（1）改变初始源强浓度
只改变废气源强浓度，其他参数、条件不变，从图1我们可以看出，在吸附平衡点浓度不变的情况下，废气初始源强浓度降低，其去除效率也随之降低。即出口平衡浓度10mg/m3不变，进口初始浓度从100mg/m3降至20mg/m3，则去除效率从90%降至50%。
（2）改变碳层厚度
只改变碳层厚度，其他参数、条件不变，从图1我们可以看出，在曲线趋势不变的情况下，碳层厚度变薄时，吸附平衡区域逐渐向左压缩，直至消失进入吸附区，此时经过碳层的出口浓度已不在平衡区，效率也随之逐步降低。
4.2 饱和区、吸附区与平衡区
随着吸附时间的推移，活性炭吸附区的碳，按气流方向逐步达到饱和，同时吸附区与平衡区分界限也在按气流方向向前推移；只在碳层足够厚的情况下，才能保证其稳定的去除效率，否则其去除效率将延吸附曲线逐步下降。见图2：
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图2 饱和区、吸附区、平衡区
4.3 饱和区、吸附区与穿透区
在碳层厚度不变的情况下，随着吸附时间的继续推移，活性炭吸附饱和区越来约大，吸附区逐步向前推移，平衡区逐步缩小，直至平衡区消失，吸附区出口浓度达不到平衡浓度，从而出现活性炭吸附穿透，吸附效率下降。见图3：
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图3 饱和区、吸附区、穿透区
5 结论
从活性炭吸附的整个过程中，可以看出在一定条件下，不同的活性炭填装厚度，对VOCs的去除效率有着较大的差异：
（1）碳层实际填装厚度＜吸附区厚度
小于活性炭本身所需吸附最小厚度时，去除效率将达不到选用活性炭的平衡区出口浓度，即去除效率达不到最大吸附效率。
（2）吸附区厚度＜碳层实际填装厚度
大于活性炭本身所需吸附最小厚度，即处理后的废气可以在吸附平衡区停留，表示可以达到活性炭的最大吸附效率；同时，平衡区的厚度决定了最大去除效率维持的时间长短和更换周期，平衡区厚度越厚，表示活性炭的最大去除效率维持时间越长，更换周期越长。
因此，设计时需要根据实际需求，考虑活性炭的装填量，既要满足活性炭的最大吸附效率，同时也要考虑活性炭更换周期的实际可操作性。而在实际应用中，经常看到在活性炭吸附用量的计算上，存在着一些误区：
（1）活性炭填装量不考虑吸附平衡区所需的活性炭用量，从而会导致当活性炭刚开始使用时，就出现无平衡区，直接穿透，导致活性炭的去除效率达不到最大值。
（2）活性炭更换周期，大家一般依据废气污染物排放量和活性炭的最大吸附容量来计算，其实等到活性炭全部吸附饱和后，其去除效率已经是降为零，可看出从活性炭层的穿透到饱和，这个过程的去除效率已经不能满足设计要求。
因此在考虑活性炭填装量与更换周期时，必须考虑平衡区的填装量，一旦穿透平衡区就应该进行活性炭更换，而不是等到活性炭全部吸附饱和后再更换；至于平衡区的具体填装量，还需视各使用单位的更换周期需求来确定了。
参考文献：
[1]李守信，苏建华，马德刚，挥发性有机物污染控制工程，化学工业出版社，ISBN 978-7-122-29805-8，30-34.
[2]张柏钦，王文选，环境工程原理，化学工业出版社，ISBN 978-7-122-02691-0，177-179.