活性炭变温脱附高浓度VOCs的工艺参数优化与评价

挥发性有机物 (volatile organic compounds，VOCs) 是近地面O3的主要反应物之一。部分VOCs的化学性质活跃，进入大气后可能会导致光化学烟雾的产生[1-3]，生成二次污染物，对大气质量环境和人类生产活动产生严重危害[4-5]。VOCs主要来源于汽车尾气排放、工业排放源、煤炭及生物燃料燃烧、柴汽油或天然气泄漏与挥发等[6-9]。常见VOCs控制技术主要有破坏性消除法和回收法[10-12]。破坏性消除法包括生物降解[13-15]、焚烧[16-17]、催化氧化[18-20] 和等离子体[21-22] 等；回收法包括吸附[23-25]、吸收[26-27] 和冷凝[28-30] 等。在回收方法中，吸附技术被认为是最有效的方法之一，主要是由于其灵活性、一次投资成本低、耗能低、净化效率高和资源可回收，故在工程中被广泛应用[31-33]。

吸附法包含了活性炭对废气中污染物的吸附过程，也包含了活性炭的脱附再生过程[34]。活性炭脱附是指通过能量或物质的引入，达到减弱活性炭与吸附物质之间作用力的目的，使得吸附组分分子获得一定的能量后脱离固体表面而解吸出来[35]。活性炭脱附VOCs方法有变温脱附法、变压脱附法和微波再生法等。变温脱附法具有再生时间短、效率高、无选择性等优点，故在实际工程中被广泛应用。常见的变温脱附法采用水蒸气脱附再生、热氮气脱附再生等方式[36]。

变温脱附工艺在实际工程的设计中，需要参考的评价因子较多。常见评价因子有吸附剂的脱附率及脱附气体浓缩比等。荀志萌等[37]在研究大风量低浓度VOCs气体二次吸附浓缩选取净化技术开发时，选取能源节约率和脱附浓缩比作为变温脱附VOCs的评价因子。李照海等[38]在研究活性炭和沸石分子筛处理非稳定排放VOCs气体的性能时，选取脱附浓缩比、脱附量和再生单位质量二甲苯所需能耗作为变温脱附VOCs的评价因子。大风量、低浓度的排放通过旋转浓缩后处理的运行费用低，需考虑浓缩比；中高浓度的排放一般不采用旋转浓缩，主要考虑脱附率和能耗比等因素[39]。

本研究以甲苯为VOCs类代表性的目标污染物，搭建实验装置以模拟活性炭吸附脱附处理VOCs工艺中的脱附阶段，通过常见评价因子探讨不同脱附工况下气体对各床层的脱附情况，进一步提高现有脱附工艺的能量利用效率，提高大风量、低浓度工况下的浓缩比，以及各工况下的脱附率，降低各工况下的能耗比，以期得到最佳脱附工艺条件，并降低活性炭吸附净化工艺的运行维护成本，促进资源回收，为变温脱附工程化应用的低碳化技术优化提供参考。