吸附技术——活性炭的吸附与脱附再生

吸附技术——活性炭的吸附与脱附再生

1.1 活性炭吸附塔过程的影响因素

活性炭的吸脱附容量的影响因素主要有：VOCs各组分的性质（如相对分子质量、偶极距、分子大小等）、混合气体的组成成分（如共存有机物、水、氧气等）、操作条件（如吸附温度、床层尺寸等）。

活性炭对废气吸附的特点：

（1） 对于芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附；对带有支键的烃类物理的吸附优于对直链烃类物质的吸附；对有机物中含有无机基团物质的吸附总是低于不含无机基团物质的吸附。

（2） 对分子量大和沸点高的化合的的吸附总是高于分子量小和沸点低的化合物的吸附。活性炭的孔径要和吸附质的分子或离子的几何大小相匹配才能有效利用。

（3） 一般认为，当活性炭表明形成碱性氧化物时，活性炭更易于吸附酸性化合物；当表面形成酸性化合物时，则有利于碱性化合物的吸附。

（4） 混合气体组分越多，活性炭吸附容量降低越严重。

（5） 吸附质浓度越高，吸附量也越高；吸附剂内表面积越大，吸附量越高。

（6） 水分子层的覆盖导致活性炭对极性较强的有机溶剂的吸附力减小，并随着水蒸气含量的增高，影响越显著。气体湿度大于50%时，对吸附的抑制作用显著增强，特别是对低浓度的 VOCs 影响非常显著。通常湿度在40%以上时吸附量开始下降，80%以上时吸附量下降50%。

（7） 温度的影响。吸附是放热反应。温度降低有利于吸附，温度升高有利于脱附。吸附热，即活性炭吸附单位重量的吸附质溶质放出的总热量，以KJ/mol为单位。吸附热越大，温度对吸附的影响越大。另一方面，温度对物质的溶解度有影响，因此对吸附也有影响。

（8） 若以粒状活性炭为吸附剂，温度控制在40℃以内，设备的气流空塔速度一般只取0.1-0.6m/s（0.3-0.4m/s时吸附效果zui好），而用蜂窝状活性炭为吸附剂时，设备的气流空塔速度可以在较大范围内选取，zui大可取到2m/s的高空塔速度，因此蜂窝状活性炭很适合应用在大风量条件下对有机废气进行吸附净化。低浓度低流速均有利于吸附，穿透和吸附平衡时间更长。

（9） 吸附带的长度随着流速的增大而增大，随着活性炭粒径的增大而增加。对于单一组份来说，吸附带长度随着吸附流速增回而增加，随活性炭的粒径增回而增加。对于多组份来说，吸附量低的优先穿透，吸附量高的后穿透。在吸附带重合区，优先吸附的被后吸附的压缩，得到浓缩。

1.2 活性炭的吸附特点

单纯的活性炭因对恶臭物质无特别的选择吸附性能，且吸附量过小，几乎不单独用来处理恶臭气体。而浸渍活性炭（或称添载活性炭）是常用的脱臭剂，用于脱臭的浸渍炭可分为三类——碱性臭气脱除用炭（添载酸或用酸进行处理，使具有离子交换功能的特殊活性炭，可去除如氨、三甲胺等碱性气体）；酸性臭气脱除用炭（添载碱或卤素系金属盐，使具有触媒作用的特殊活性炭，可去除硫化氢、甲基硫醇等酸性气体）；中性臭气脱除用炭（添加了卤素系金属盐等化合物，使具有触媒功能的特殊活性炭，可去除甲硫醚、二甲硫醚等中性气体）。添加铜系和铁系金属盐类或氧化物的活性炭可用于脱除硅烷气体；添加膦系化合物的活性炭用于脱除氨气；添加CuO和Cu2O的活性炭可脱除氢氰酸和光气；加载 ZnO和 NaZnO2的活性炭触媒可催化脱除砷化氢及氢氰酸、光气；加载Ag2O 的活性炭触媒可催化脱除砷化氢；加载硫酸铜的活性炭可脱除氨气。

2 活性炭的脱附再生

脱附是创造与低负荷相对应的条件，引入物质或能量使吸附质分子与活性炭之间的作用力减弱或消失，从而除去可逆吸附质。

再生方法主要取决于活性炭的类型和活性炭吸附物质的性质，同时再生操作要保证不使影响活性炭吸附性能的主要孔隙容积损失太多。再生炭的吸附性能要达到原炭的90%一105%，再生得率要达到90%以上，而强度基本不变或稍有降低，再生时炭的机械磨损和破碎要少。

活性炭在再生过程中损失较大约为5%-10%，再生后的活性炭吸附能力明显下降、机械强度下降、再生过程中的尾气会造成空气污染等，当废气中有气溶胶物质或其他杂质时，吸附剂易失效。

常用的脱附方法有两种，即减压脱附与加热脱附。采用加热脱附常见的如高温蒸气脱附、氮气脱附及惰性气体脱附等。要使吸附的溶剂完全脱附出来，需要大量的蒸气，增加了运行成本。如果控制蒸气用量，溶剂残留量增加，活性炭有效吸附量下降，同时在脱附干燥段易造成溶剂挥发，从而引起排放的污染物浓度超标。变压脱附温度可以不变，一般吸附48h后减压或者是抽真空解吸30min。

2.1 热再生法

热再生法的原理是在加热条件下，使被吸附的有机物以解析、炭化、氧化的形式从活性炭基质上消除。一般蜂窝活性炭开始的脱附温度为80~90度，脱附时间长，随着活性炭的使用，脱附温度逐渐增大，但不能超过130度，并且进入活性炭层的脱附气体一定要有阻火器。

再生步骤：

（1）干燥，干燥温度一般低于100℃，主要是蒸发孔隙水，少量低沸点的有机物也会被气化。该过程需要大量的蒸发潜热，热再生过程约有50%的能耗是在干燥过程中消耗的。

（2）在约350℃时加热活性炭，使其中的低沸点有机物被分离。

（3）高温炭化，即在约800℃加热活性炭，使大部分有机物分解、气化，或以固定碳的形态残留下来。

（4）活化，即在800℃～1000℃范围内加热活性炭，使残留下来的炭，被水蒸气、二氧化碳或氧气等分解。热再生的步骤根据加热炉种类的不同也稍有差别，但差别不大。

热再生法再生率较高，可达70%～80%；再生时间短；与化学药品再生法相比，具有很强的通用性；不产生再生废液。缺点：再生后的活性炭损失率较高，一般为5%～10%；炭表面化学结构发生改变，比表面积减小；高温再生对再生炉材料要求高，再生炉设备投资高；再生能耗成本较高；活性炭反复再生会丧失吸附性能。一般蜂窝活性炭开始的脱附温度为80~90度，脱附时间长，随着活性炭的使用，脱附温度逐渐增大，但不能超过130度，并且进入活性炭层的脱附气体一定要有阻火器。

2.1.1 水蒸气脱附法

由于水蒸气热焓高且较易得，经济性安全性好，广泛适用于脱附沸点较低的小分子碳氢化合物和芳香族有机物，对于高沸点物质的脱附能力较弱，脱附周期长，易造成系统腐蚀，对材料性能要求高。水蒸汽脱附后，吸附系统需要较长时间的冷却干燥才能再次投入使用，还存在冷凝水二次污染的问题。采用低压水蒸气脱附工艺的脱附，水蒸气用量4.0 mL/min，温度140℃条件下实现回收烯烃83.22%。脱附时水蒸汽带入杂质引起活性炭失效，分离溶剂的过程中会产生大量的废水，造成二次污染；可能会破坏活性炭的孔结构和表面化学结构，导致吸附能力下降；近年来发现的热氮气脱附技术可以有效的解决上述问题。140℃脱附 30min，氮气流量为2.6 m3/h，脱附率为90%左右。脱附完成后，吸附剂需要较长时间的冷却干燥才能再次投入使用。

2.1.2 热空气再生法

与水蒸汽解吸相比，热气体解吸的冷凝水二次污染很少，对吸附系统材料的要求较低。利用热空气对活性炭纤维吸附的甲苯进行解吸，适宜的脱附工艺条件为温度180℃，脱附时间40min，脱附空气流速0.106m/s；通过建立示范工程对热空气解吸能耗进行分析，结果表明热空气脱附若采用蒸汽为加热源时，每回收1kg溶剂约需电0.5kWh及1.6kg蒸汽。

小于一般蒸汽直接加热回收系统中的2～5kg蒸汽的用量。热氮气脱附是一种高效的方法，140℃脱附30min，氮气流量为2.6m3/h，脱附率为90%左右。

采用流向变换催化燃烧法处理废气时可热空气脱附法。正常吸附前，先将催化床燃烧室预热到300℃，一定时间后，当活性炭纤维吸附饱和时，打开脱附阀门，用120℃热风进行脱附，解吸出的有机废气进到催化床燃烧分解为CO2和H2O，净化后的高温气体通过列管热交换器预热脱附气体，少部分经烟囱排放，其余补充新鲜空气后作为脱附热风返回，此时可停止电加热管预热，并通过放空阀和补冷风机来实现整个催化燃烧系统的热平衡。纤维活性炭脱附彻底，经多次吸附脱附后仍保持原有的吸附性能，特别是对10-6级的吸附质仍保持很高的吸附量（蜂窝炭或颗粒炭的吸附能力则大大降低）。

热气体脱附的缺点是气体热容量小，气体热交换所需面积相对较大，如果直接采用热空气解吸，可能存在一定的危险性，而且氧的存在会影响回收物质的品质，所以需要控制再生气体中氧气的含量。

2.1.3微波加热

采用的再生设备为微波谐振膛，用于干燥或加热的微波频率有 970 MHz及2450 MHz 两种。微波加热的优点是通过微波使炭自身发热，升温速度快，可迅速达到再生要求的高温，设备体积小。缺点是炉膛内加热不均匀，主要是微波能量吸收不均匀所致，有时产生炭烧结现象。当微波漏能功率大于 0.01 W/cm2、接触时间达 6min以上时，对人体有伤害。在微波产生、输送过程中，磁控管本身会消耗30% - 40% 的功率。

2.1.4远红外线加热

一般用于干燥活性炭，也可用于再生，主要取决于被加热物体对特定波长的红外线的吸收能力。

2.1.5直接通电加热

利用填料吸附塔厂家活性炭自身具有的电阻和炭粒间具有的接触电阻，使炭产生焦耳热，逐渐达到再生温度，再通入水蒸气进行活化。对于活性炭纤维，电加热温度达到 150℃ ，可以将吸附的甲苯基本全部脱附下来。

微波加热、远红外线加热、直接通电加热三种活性炭热再生法的能耗相差不大，约为1.50 kW·h/kg 活性炭。

变压脱附温度可以不变，一般吸附48h后减压或者是抽真空解吸30min。工业上常用采用二个或二个以上的固定床并联操作，一个吸附一个再生，循环运行。