摘要：介紹了幾種從VOC廢氣中回收溶劑的方法,并分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍;對回收有困難或不經(jīng)濟(jì)的含VOC廢氣,建議采用焚燒法或催化燃燒法進(jìn)行處理。

關(guān)鍵詞：VOC廢氣；吸附；吸收；膜分離；回收；焚燒

1. 概述

揮發(fā)性有機(jī)化合物簡稱VOC(VolatileOrganicCompounds),一般是作為溶劑使用后而散發(fā)到大氣中的,它主要來自石油化工、涂料、醫(yī)藥、烤漆、電子元器件的脫脂、印刷、人造革、衣物干洗、膠片織物涂層、粘膠劑、農(nóng)藥、橡膠等行業(yè)。據(jù)美國EPA報(bào)道,1995年美國共排放VOC22900kt中國在1996年共使用溶劑2600kt,這些溶劑大部分被排放到大氣中。

2. VOC的危害

根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì),通常用作溶劑的有脂肪族化合物、芳香族化合物、鹵代烴、醇、醛、酮、醚、酯等。這些有機(jī)溶劑揮發(fā)到大氣中,不僅會(huì)污染環(huán)境,還會(huì)危害人體健康。如苯是一種常用的溶劑,它既可以被皮膚所吸收也可以被人體吸入,造成急性和慢性中毒,但是大多數(shù)中毒都是由于吸入人體內(nèi)而造成的。苯類化合物會(huì)損害人的中樞神經(jīng),造成神經(jīng)系統(tǒng)障礙,其被攝入人體后會(huì)危及血液和造血器官,嚴(yán)重時(shí),有出血癥狀或感染敗血癥。苯在生物體內(nèi)能逐步氧化成苯酚,誘發(fā)肝功能異常,阻止骨骼的生長,發(fā)生再生障礙性貧血。苯蒸氣濃度高時(shí)(空氣中含量2%)會(huì)導(dǎo)致致死性的急性中毒。所以,ACGIH將苯列為可疑潛在致癌物質(zhì)。鹵代烴類物質(zhì)能引起神衰征候群及血小板減少、肝功能下降、肝脾腫大等病變,還可能導(dǎo)致癌癥。CFC類物質(zhì)對大氣臭氧層有破壞作用。所有這些促使世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家紛紛頒布法律對VOC的排放進(jìn)行控制。

3. 回收及處理技術(shù)

VOC的回收技術(shù)主要有冷凝法、吸附法、吸收法和膜分離法;吸附法、吸收法和膜分離法是通過采用選擇性吸附劑和吸收劑、選擇性膜滲透來分離回收廢氣中的有機(jī)溶劑。處理技術(shù)主要有催化燃燒、直接燃燒等,它是通過化學(xué)反應(yīng),將氣體中的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和水。

3.1 冷凝法

冷凝法是最簡單的回收方法,它是將廢氣冷卻到低于有機(jī)物的露點(diǎn)溫度,使有機(jī)物冷凝成液滴而從氣體中分離出來。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(diǎn)有關(guān),沸點(diǎn)較高時(shí),回收率高;沸點(diǎn)較低時(shí),回收效果不好。由于大部分VOC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(huì)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(huì)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),因此,該技術(shù)一般是作為一級處理技術(shù)并與其它技術(shù)結(jié)合使用。

3.2 吸附法

吸附法早已用于VOC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。吸附法去除VOC的原理是利用比表面積非常大的粒狀活性炭、炭纖維、沸石等吸附劑的多孔結(jié)構(gòu),將VOC分子截留。當(dāng)廢氣通過吸附床時(shí),VOC就被吸附在孔內(nèi),使氣體得到凈化。

吸附法又分為固定床吸附法、流動(dòng)床吸附法和濃縮輪吸附法。

3.2.1 固定床吸附法

固定床吸附法的特點(diǎn)是吸附與脫附在同一個(gè)床層上實(shí)現(xiàn),為了保證吸附過程的連續(xù)性,需要2臺(tái)或2臺(tái)以上的吸附器同時(shí)工作,其中一些吸附器進(jìn)行吸附時(shí),另一些進(jìn)行再生。活性炭是應(yīng)用最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)、活性大的溶劑的吸附,該類有機(jī)物會(huì)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)特殊加工制成的。它是一種很細(xì)的纖維狀物質(zhì),具有巨大的比表面積、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^大孔、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。與顆粒活性炭相比,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。

3.2.2 流動(dòng)床吸附法

流動(dòng)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(dòng),使吸附劑流態(tài)化,VOC與吸附劑接觸后被吸附,凈化后的廢氣由頂部排出,吸附了VOC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頂部繼續(xù)進(jìn)行吸附操作。

3.2.3 濃縮輪法

濃縮輪是一個(gè)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(shí)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(gè)系統(tǒng)內(nèi)就可以完成吸附和脫附操作,使VOC得到濃縮,大大降低了設(shè)備投資。

3.3 吸收技術(shù)

吸收技術(shù)是一種成熟的化工單元操作過程,適合于大氣量、中等濃度的含VOC廢氣的處理。吸收技術(shù)是利用液體吸收劑與廢氣直接接觸而將VOC轉(zhuǎn)移到吸收劑中。吸收按其機(jī)理可分為物理吸收和化學(xué)吸收,通常VOC的吸收為物理吸收,使用的吸收劑常為柴油、煤油、水和其它溶劑。任何可溶解于吸收劑的有機(jī)物均可以從氣相轉(zhuǎn)移到液相中,然后,對吸收液進(jìn)行處理。當(dāng)吸收液為水時(shí),采用精餾處理就可以回收有機(jī)溶劑;當(dāng)為非水溶劑時(shí),考慮到回收成本,需進(jìn)行吸收劑的再生。

3.4 膜分離

膜分離技術(shù)是采用對有機(jī)物具有選擇性滲透的高分子膜,在一定壓力下使VOC滲透而達(dá)到分離的目的。當(dāng)VOC氣體進(jìn)入膜分離系統(tǒng)后,膜選擇性地讓VOC氣體通過而被富集,脫除了VOC的氣體留在未滲透側(cè),可以達(dá)標(biāo)排放;富集了VOC的氣體可去冷凝回收系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)溶劑的回收。選擇此種方法可以分離90%的VOC。

膜分離法適用于中高濃度(VOC含量高于1×10-3)的廢氣的處理。膜系統(tǒng)的費(fèi)用與進(jìn)口氣體流速成正比,與VOC的濃度關(guān)系不大。此法最好用于高濃度、小流量和有較高回收價(jià)值的有機(jī)溶劑的回收,但其設(shè)備投資較高。

隨著對環(huán)境問題的越來越重視,膜分離技術(shù)的應(yīng)用前景會(huì)很廣闊,這是因?yàn)槟しㄊ且环N清潔技術(shù),從膜分離系統(tǒng)出來的是回收的有機(jī)溶劑和凈化了的排放氣,減少了二次污染的產(chǎn)生。隨著高效分離膜的開發(fā)和價(jià)格的降低,膜技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來越廣。

4. 回收技術(shù)的選擇

回收技術(shù)的選擇主要取決于VOC的物理和化學(xué)性質(zhì)、廢氣的流量、濃度、溫度、使用溶劑的企業(yè)的條件、經(jīng)濟(jì)狀況等。

由于炭吸附技術(shù)相對簡單、有效,使其成為回收VOC的首選技術(shù),當(dāng)吸附法不適合時(shí),可以考慮采用冷凝、膜分離、吸收技術(shù)。一般來講,當(dāng)VOC含量為5%～10%時(shí),首先考慮采用冷凝法;VOC含量為0.5%～5%時(shí),可選擇膜分離技術(shù);當(dāng)VOC含量低于0.5%時(shí),吸附技術(shù)成為首選;從流量方面考慮,處理大流量廢氣時(shí),優(yōu)先考慮吸附法;小流量時(shí),可考慮采用膜分離和冷凝技術(shù)。

炭吸附技術(shù)適用于氣量大、VOC濃度不超過5×10-3的有機(jī)廢氣的處理,含量太高,會(huì)增加設(shè)備的不安全性。當(dāng)VOC濃度高于5×10-3時(shí),在炭吸附前需進(jìn)行稀釋,且顆?；钚蕴课郊夹g(shù)不適合處理含酮、酯的氣體?；钚蕴坷w維和沸石吸附劑的出現(xiàn),擴(kuò)大了吸附法的應(yīng)用范圍,如采用炭纖維可以用于環(huán)己酮、丁酮的處理。對于1×10-4～1×10-5的低濃度VOC廢氣,可采用濃縮輪技術(shù),再結(jié)合其它方法進(jìn)行有機(jī)溶劑的回收。

炭吸附技術(shù)也受到某些限制,如它不適合相對濕度超過50%的廢氣的處理;炭纖維和沸石對相對濕度的要求低一些;還有炭吸附需在不高于40的溫度下使用。

通過正確地選擇和組合現(xiàn)有的回收技術(shù),可以有效地、經(jīng)濟(jì)地從VOC廢氣中回收有機(jī)溶劑,減少其對環(huán)境的污染。

5. 含VOC廢氣的處理技術(shù)

VOC的處理技術(shù)主要是焚燒,其焚燒處理的方式有直接燃燒和催化燃燒兩種[8]。催化燃燒是以Pt、Pd、CuO、NiO等作為催化劑,在較低的溫度下(150～600)使VOC氧化分解成CO2和H2O,焚燒溫度的選擇與氣體的量、組成和停留時(shí)間有關(guān),例如某漆包線廠的含苯系物的烘干廢氣通過以Pt為催化劑的床層,在溫度580、停留時(shí)間1s的條件下,被氧化成CO2和H2O,出口氣體中的VOC可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。催化燃燒的溫度相對較低,可以節(jié)省燃料,但催化劑的價(jià)格較高,也不能處理含塵氣體,使用一定時(shí)間后,要對催化劑進(jìn)行清理,以除去其表面的附著物,延長催化劑的使用壽命。

廢氣的直接燃燒有焚燒爐法和火炬法,焚燒爐法是將廢氣通入焚燒爐內(nèi)燃燒,惡臭氣體一般采用此法處理,其焚燒溫度不高,且停留時(shí)間不超過1s;通常焚燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)廢熱鍋爐回收熱量,產(chǎn)生蒸汽。火炬法常在石油化工廠使用,以處理那些高熱值(4178kJ/m3以上)、能維持高溫燃燒的廢氣,廢氣在高空大氣中燃燒。近年來,為了節(jié)約能源和減少污染,石化廠的火炬逐步被消滅,代之以氣柜回收、儲(chǔ)存氣體。

由于廢氣組成復(fù)雜、多變,且多數(shù)VOC氣體為易爆物質(zhì),故在處理時(shí)要考慮廢氣與空氣的混合方式;空氣過量系數(shù)的選取也是很重要的，過多的空氣量會(huì)使燃料的用量加大,降低爐溫;而空氣量不足時(shí)將會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全,甚至冒黑煙,VOC焚燒不徹底,尾氣達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn),一般空氣過量系數(shù)取理論量的1.2～1.3倍。

6. 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VOC廢氣中的有機(jī)溶劑,不僅可以減輕環(huán)境污染,還會(huì)取得一定的經(jīng)濟(jì)效益;對回收有困難或回收后達(dá)不到使用要求的廢氣可采用焚燒法進(jìn)行處理。但不管采用哪種方法,要盡量采用清潔生產(chǎn)技術(shù),避免產(chǎn)生二次污染。