有機(jī)廢氣中VOCs的回收與處理方法

過去三十年，伴隨著中***經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，我們的空氣質(zhì)量受到了嚴(yán)重的破壞，昔日的藍(lán)天白云在不少地方成為了美***的記憶，有些地方，90后甚至連天上有沒有星星都不知道。揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的污染問題日趨嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響中***可持續(xù)發(fā)展和老百姓的生活質(zhì)量。

有機(jī)廢氣中VOCs的回收與處理方法

揮發(fā)性有機(jī)物(VolatileOrganicCompound)簡稱VOCs主要來自石油化工行業(yè)的排放氣、洗滌用含氯體系有機(jī)物及涂料體系的有機(jī)溶劑。VOCs排放到***氣中會引起健康,環(huán)境、安全等一系列問題。有機(jī)溶劑當(dāng)揮發(fā)至***氣中時，無法被環(huán)境所分解，故其對環(huán)境的危害不僅止于居住于使用涂料的人們。以涂料為例,有機(jī)揮發(fā)化合物（VOCs）在涂裝剛完工時可以揮發(fā)約百分之95-97%，但后面的2-5%要在后續(xù)幾年才會釋出，讓生活期間的民眾長期曝露在有毒環(huán)境中，這不是一般放個鳳梨、木炭就能消除氣味所能解決的。這些揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)含有芳烴(甲苯、二甲苯、三甲苯等)、乙酸乙酯、丙酮......等化學(xué)物質(zhì)，會危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝、腎、眼、鼻、喉等呼吸系統(tǒng)。

鑒于其危害性,西方發(fā)達(dá)***家均頒布法令對其排放進(jìn)行控制。在我***《***氣污染防治法》***三十六條中規(guī)定:嚴(yán)格限制向***氣中排放含有毒物質(zhì)的廢氣和粉塵;確需排放的,應(yīng)當(dāng)經(jīng)過凈化處理,不超過規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。***三十七條規(guī)定:工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的可燃性氣體應(yīng)當(dāng)回收利用,不具備回收利用條件而向***氣排放的,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行防治污染處理。這些均促進(jìn)了VOCs處理技術(shù)的發(fā)展。

有機(jī)溶劑回收與處理方法

目前,處理VOCs的方法主要分為破壞法和非破壞法。破壞法包括燃燒法和催化氧化,將VOCs轉(zhuǎn)化為CO2和H2O;非破壞法主要有冷凝、吸收、吸附和膜分離。

碳吸附和冷凝法早已工業(yè)化。碳吸附法使用范圍***廣,對苯、醋酸乙酯、氯仿等VOCs的回收非常有效;冷凝法主要用于回收高沸點和高濃度的VOCs;膜分離技術(shù)以其高效、節(jié)能、環(huán)保和分子級過濾等***性,已廣泛地應(yīng)用于水處理化工、電子、醫(yī)藥、食品加工等***域,成為本世紀(jì)分離技術(shù)中***重要技術(shù)之一。

2.1燃燒法

燃燒法是指VOCs氣體在高溫和充足空氣下進(jìn)行完全燃燒，分解成CO2和H2O。在處理石化、印刷、油漆生產(chǎn)和制藥等生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的高濃度VOCs氣體時具有很高的效率。但如果廢氣中還有氯、硫和氮等元素，燃燒后會產(chǎn)生有害氣體，造成二次污染。燃燒法包括直接燃燒法、催化燃燒法、熱力燃燒法。熱力燃燒法指在處理低濃度廢氣時，還需加入助燃?xì)怏w來提升溫度，達(dá)到去除目的。催化燃燒法是使用催化劑來降低VOCs氣體燃燒所需要的溫度，且能重復(fù)利用燃燒產(chǎn)生的熱量，如Yang等研制的CuO/CeO2-ZrO2/TiO2催化劑，溫度達(dá)到270℃時可完全去除乙酸乙酯。催化燃燒法廣泛應(yīng)用于煉焦、化工和金屬印刷等行業(yè)，具有較高的積極效益。近年來，***內(nèi)外研究者不斷開發(fā)新的催化劑，以達(dá)到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

2.2吸收法

吸收法是利用液體溶劑吸收廢氣中的VOCs，以達(dá)到凈化廢氣的目的。目前多以水、輕柴油作為吸收溶劑，該方法設(shè)備簡單，對低濃度VOCs廢氣的處理具有很***的效果。但要做***對吸收劑的處理，以免造成二次污染。岑超平等以檸檬酸鈉溶液為吸收液進(jìn)行脫除甲苯廢氣的試驗研究，去除率達(dá)93%，并從飽和的檸檬酸鈉溶液中蒸餾回收甲苯，蒸餾后的吸收液還可重復(fù)使用，仍保持較高的吸收效率。

2.3冷凝法

冷凝法是***簡單的回收方法,該法的原理:通過將操作溫度控制在VOC的沸點以下而將VOC冷凝下來,從而達(dá)到回收VOC的目的。通常使用的冷卻介質(zhì)主要有冷水、冷凍鹽水和液氨。通常該技術(shù)僅用于VOC含量高(百分之幾)、氣體量較小的有機(jī)廢氣的回收處理。其回收率與有機(jī)物的沸點有關(guān),沸點較高時,回收率高;沸點較低時,回收效果不***。

由于***部分VOCs系易燃、易爆氣體,受到爆炸極限的限制,氣體中的VOC含量不會太高,所以,要達(dá)到較高的回收率,需采用較很低溫度的冷凝介質(zhì)或采用高壓措施,這些都勢必會增加設(shè)備投資和提高處理成本,而且在通常的操作條件下,由于相平衡的制約,有機(jī)物蒸汽壓較高,故離開冷凝器的排氣中的VOC含量仍不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),該法一般不單***使用,常與其它方法(如吸附、吸收、膜分離法等)聯(lián)合使用,這里不作詳細(xì)介紹。

2.4吸附法

吸附法早已用于VOCs的回收處理。尤其是活性炭吸附法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于苯系物、鹵代烴的吸附處理。商業(yè)化的吸附劑有粒狀活性炭和活性炭纖維兩種,它們的吸附原理和工藝流程完全相同。其它的吸附劑,如沸石、分子篩等,也已在工業(yè)上得到應(yīng)用,但因費(fèi)用較高而限制了它們的廣泛使用。吸附法又分為固定床吸附法、流動床吸附法和濃縮輪吸附法。

2.4.1固定床吸附法

固定床吸附法的***點是吸附與脫附在同一個床層上實現(xiàn),為了保證吸附過程的連續(xù)性,需要2臺或2臺以上的吸附器同時工作,其中一些吸附器進(jìn)行吸附時,另一些進(jìn)行再生?；钚蕴渴菓?yīng)用***為廣泛的固定床吸附劑,由于其容易吸附水,所以不適用于溫度高于40℃、氣體相對濕度超過50%的氣體的吸附處理;此外也不適用于易發(fā)生反應(yīng)、活性***的溶劑的吸附,該類有機(jī)物會與活性炭或在活性炭表面進(jìn)行反應(yīng)而堵塞碳孔,這種情況可采用炭纖維或沸石作為吸附劑。

活性炭纖維是以有機(jī)化合物纖維(如聚丙烯、酚醛樹脂、聚乙烯醇等)為基本原料經(jīng)***殊加工制成的。它是一種很細(xì)的纖維狀物質(zhì),具有巨***的比表面積、外表面積和非常發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu),纖維上有很多微孔可以直接與有機(jī)物接觸而不是象顆?；钚蕴磕菢右韧ㄟ^***孔、過渡孔,才能到達(dá)微孔,因此,活性炭纖維更易于吸附低濃度的VOC。與顆?；钚蕴肯啾?其吸附有機(jī)物的能力高出1.5～2.0倍,吸附速度也快3倍左右。由于活性炭纖維的吸附能力強(qiáng),故吸附裝置可以小型化,吸附劑的用量也可以少些,降低處理費(fèi)用。

2.4.2流動床吸附法

流動床吸附系統(tǒng)由吸附單元和脫附單元組成。廢氣由吸附床底部進(jìn)入,自下而上地流動,使吸附劑流態(tài)化,VOCs與吸附劑接觸后被吸附,凈化后的廢氣由***部排出,吸附了VOCs的吸附劑由底部排出,進(jìn)入脫附單元。在脫附單元內(nèi),加熱吸附劑,使有機(jī)物脫附出來,將氣體引入冷凝單元去回收有機(jī)溶劑。再生后的吸附劑送回吸附單元***部繼續(xù)進(jìn)行吸附操作。

2.4.3濃縮輪法

濃縮輪是一個裝滿吸附劑的旋轉(zhuǎn)輪。廢氣由旋轉(zhuǎn)輪的上游側(cè)進(jìn)入濃縮輪的吸附區(qū),其中被吸附凈化后的廢氣由旋轉(zhuǎn)輪的下游排出;同時另一股流量較小的、溫度較高的脫附氣朝廢氣氣流相反的方向進(jìn)入濃縮輪的脫附區(qū),將已吸附的VOC脫附出來。濃縮輪以一定速度緩慢旋轉(zhuǎn),這樣在一個系統(tǒng)內(nèi)就可以完成吸附和脫附操作,使VOC得到濃縮,******降低了設(shè)備投資。

2.5膜分離法

2.5.1氣體膜分離原理

膜法氣體分離的基本原理是根據(jù)混合氣體中各組分在壓力的推動下透過膜的傳遞速率不同,從而達(dá)到分離目的。對不同結(jié)構(gòu)的膜,氣體通過膜的傳遞擴(kuò)散方式不同,因而分離機(jī)理也各異。目前常見的氣體通過膜的分離機(jī)理有兩種:其一,氣體通過多孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理;其二,氣體通過非多孔膜的溶解—擴(kuò)散機(jī)理。膜分離廣泛應(yīng)用于工業(yè)污水處理、氣體分離、食品加工過程和石油化工制品等。由于膜分離操作溫度為室溫,且物質(zhì)不發(fā)生相變化,具有節(jié)能、高效的***點。

2.5.2膜法處理VOCs的過程

在VOCs的分離過程中一般采用橡膠態(tài)高分子膜,如硅橡膠膜,其分離過程如圖1所示:

含有VOCs的氣流,在一定的壓差作用下,VOCs***先透過膜,在膜的滲透側(cè)形成富VOCs氣流,而在膜的截留側(cè)形成貧VOCs氣流,主要含有氮氣、氧氣、甲烷等不易滲透的氣體。

2.5.3膜法處理VOCs的工藝

1)壓縮一冷凝一膜分離

對于高濃度的VOCs，在2%?40%(V%)的氣流，主要采用壓縮冷凝和膜系統(tǒng)相結(jié)合的工藝。流程圖如2所示。這樣的集成技術(shù)可以使VOCs的回收率達(dá)到95%?99%，而非深冷的壓縮冷凝工藝只能回收60%左右的VOCs。同時采用本工藝流程可以將原來的低溫冷凝回收改為常溫冷凝回收，如在PVC工業(yè)中氯乙烯VCM)單體的回收。目前的工藝是采用-20°C下來深冷回收，并保證冷凝器出口排放物達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，如果采用圖2的流程，則冷凝可以采用常溫冷凝，未冷凝的VCM經(jīng)過膜系統(tǒng)的提濃后，進(jìn)一步壓縮冷凝，通過調(diào)整膜面積和操作參數(shù)可以使膜截留側(cè)VCM的濃度達(dá)到排放的要求。這樣可以避免周期地解凍冷凝器和維持低冷凝溫度的高操作費(fèi)用。

2)膜分離—真空—冷凝

有一些廢氣,如含有苯、甲苯、二甲苯的空氣中,VOCs的含量可達(dá)幾千到幾萬ppm,直接壓縮冷凝,往往得不到液體的VOCs,這時采用圖3所示的工藝。鼓風(fēng)機(jī)將含VOCs的空氣送到膜表面,用真空泵在膜的滲透側(cè)造成一定的真空,提供氣體滲透的推動力,使得VOCs在滲透側(cè)得到富集,然后用冷凝的辦法將富集的VOCs以液態(tài)的形式加以回收。在膜的截留側(cè)VOCs的含量很低,一般可以直接排放

膜分離-真空-冷凝系統(tǒng)

3結(jié)語

根據(jù)廢氣的物理和化學(xué)性質(zhì),選擇不同的回收方法或幾種方法的組合來回收VOCs廢氣中的有機(jī)溶劑,不僅可以減輕環(huán)境污染,還會取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

目前,在我***,粒狀活性炭法和活性炭纖維法已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化;膜分離法回收VOCs剛剛開始研究,實現(xiàn)工業(yè)化還有一段距離。膜分離法在物流流量和VOCs濃度方面適應(yīng)范圍較寬,彌補(bǔ)了炭吸附法和冷凝法的不足,擴(kuò)***了VOCs回收的種類,為各行業(yè)有機(jī)廢氣中VOCs的回收提供了一種切實有效的方法。

當(dāng)然,如果可以從源頭減少VOCs當(dāng)然是***的!