活性炭处理汽修喷烤漆废气工艺优化研究
摘要：汽修喷烤漆废气中的挥发性有机物污染问题日益突出.以目前常用的活性炭吸附净化法为研究对象,结合行业特征,系统分析了活性炭冲类、活性炭装填量、废气停留时间、废气成分、废气温度、废气湿度等因素对挥发性有机废气净化效果的影响,并根据各因素的影响规律提出了优化措施.
引言
2013年，国务院发布《大气污染防治行动计划》，将可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)作为污染防治的重点污染物。挥发性有机物(VOCs)是指常温常压下具有较高蒸汽压、较强挥发性的有机化合物的统称，它在环境中能够通过化学反应，产生PM2.5、O3等二次污染物，是影响大气环境的主要污染物之一。
汽修过程多为小面积喷涂，一般采用空气喷涂工艺，喷烤漆废气普遍采用活性炭吸附法处理，VOCs处理效果不理想。同时，汽修企业规模相对小、数量多、分布分散，多位于城市人口密集区，且多为低空排放，对环境和人体健康的影响尤为显著。
近年来随着环保执法日趋严格，汽车维修企业喷烤漆废气治理亟待加强，不少采用活性炭吸附法处理喷涂废气的企业面临超标的问题。据北京市环境保护局网站公开的行政处罚信息，2015—2016年北京市共计有37家汽修企业受到市环保局处罚，占全部受罚企业数量的14.5%，其中31家受罚原因是喷烤漆废气治理设施不正常运行。
1汽车维修行业挥发性有机污染物来源
调漆、喷涂、烤漆、清洗喷枪等多个环节均会产生挥发性有机污染物，尤其是在喷涂烘烤过程，涂料中含有的VOCs几乎全部挥发到喷烤漆房空气中，是汽修企业主要的有组织排放源;调漆、清洗喷枪等环节普遍管理薄弱，有些甚至在开放区域操作，产生的挥发性有机物难以有效收集处理，是重要的无组织排放源(图1)。目前喷烤漆房的额定风量在10000～20000in3/h，烤漆房内风速0.2～0.3m/s，排气管道风速为5～7m/s，废气中VOCs初始浓度一般为100～200mg/m3。
2汽车维修行业常见挥发性有机物污染治理技术
有机废气的处理方式主要有吸附法、催化燃烧法、热力燃烧法、冷凝法等，这些方法在适用对象、处理效果、设备成本、运行成本方面具有不同的特点。
汽车维修企业的喷涂废气主要成分为苯系物、醇醚类、酯类有机溶剂，汽车维修喷涂量小、喷漆室排风量大，属于低浓度有机废气。汽车维修企业普遍采用一体化喷烤漆房，配备过滤地棉+活性炭吸附的方法处理喷漆废气，其中地棉主要用于捕集漆雾颗粒，活性炭主要用以吸附VOCs(表1)。
3活性炭吸附法优化途径
目前，GB20101—2006《涂装作业安全规程有机废气净化装置安全技术规定》、GB/T7701.1—2008《煤质颗粒活性炭气相用煤质颗粒活性炭》、DB/111228--2015《汽车维修业大气污染物排放标准》等标准对挥发性有机废气活性炭吸附装置提出了一些技术要求，包括风道压差、活性炭粒径、活性炭用量、更换周期等。在实际运行中，除了符合以上要求之外，还可以从以下方面进行考虑和优化。
3.1活性炭种类
活性炭从原料分为煤质活性炭、木质活性炭、壳活性炭、纤维活性炭等;从形态分为粉末活性炭、颗粒活性炭、蜂窝活性炭、纤维活性炭等;根据吸附对象可以分为气相用活性炭和液相活性炭。活性炭微观结构中有大孔(>50nm)、过渡孔(2～50nm)和微孔(<2nm)，构成活性炭比表面积的主要是微孔(表2)。
当吸附质直径大于孔道直径1/3以上时，吸附质运动就受阻，吸附量下降。汽修喷烤漆废气的VOCs主要成分为苯系物、醇醚类、酯类，分子直径在0.3～1nm，活性炭吸附VOCs主要在微孔中进行，因此微孑L的比例越高越好，同时需要一定量的中孔，便于有机废气分子进入活性炭内部。结合汽修喷烤漆废气成分及各种活性炭的特征(表3)，优先选择高比表面积和高四氯化碳(CTC)吸附率的活性炭品种。
3.2活性炭装填量
目前相关标准、设计规范中对活性炭的装填量尚未明确规定，常见喷烤漆废气净化设备采用多层活性炭板进行吸附，一共使用4块左右，重量总计约50kg，采用水平或M型放置。活性炭的装填量决定了吸附有机废气总量以及更换频次，按照四氯化碳吸附率来计算，可以根据使用原料中VOCs含量推算活性炭最低装填量。
3.3废气停留时间
废气的流速对其在吸附剂中的停留时间影响较大，活性炭吸附有机废气需要一定的时间。孙一坚等提出喷漆废气活性炭处理装置要求废气在吸附层内停留时间为0.2～2.0S。废气停留时间与活性炭装填量密切相关，与吸附层的截面积和厚度无直接关系。废气在吸附层内停留时间可以按照式(3)进行计算。
2015年北京市发布的《汽车维修业大气污染物排放标准》规定：“每万m3/h设计风量的吸附剂使用量不应小于1m3’’，装填密度一般为450kg/m3，通过式(3)计算停留时间为0.36s，满足“0.2—2.0s”的要求。在实际应用中，保证通畅排风的前提下，降低废气流速，提高废气停留时间，可提升废气净化效果。
3.4废气成分
活性炭的四氯化碳吸附值、甲苯吸附值是单一组分条件下测试得到的数据，在实际应用中，喷烤漆废气成分复杂，涵盖酮类、酯类、醇类、醇醚类、苯类等，对某单一物质的吸附能力必然小于测试数据。因此，设计有机废气吸附装置时，应综合考虑总挥发性有机物的量。
活性炭是非极性分子，易于吸附非极性或极性较低的吸附质，对不同的有机物吸附能力也不同，存在竞争吸附或置换吸附的情况。陈良杰研究发现6种挥发性有机物在二元混合吸附体系中，吸附质强弱顺序为对二甲苯、甲苯、正丙醇、乙酸乙酯，吸附性能最弱的是乙醇和乙酸乙酯，该结果与物质极性顺序相一致。目前汽车水性漆的应用比例越来越高，除罩光清漆之外，均能够实现水性化，喷烤漆废气的VOCs主要成分也从原来的苯系物向醇类、酯类转化，相应的分子极性也有所增加，若仍然采用非极性的活性炭作为吸附剂，其净化效果会下降。因此，通过在净化装置中增加沸石、改性分子筛、氧化铝等极性吸附剂，可提高对废气中醇类、酯类组分的净化效果。
3.5废气温度
目前，活性炭产品的吸附容量是在25℃条件下进行测定的。李学佳等H1发现，当气体温度升高时，活性炭吸附量下降。采用有机溶剂型涂料的汽车维修烤漆房通常的工作温度为60℃，在该温度下，活性炭对有机废气的吸附能力较弱，已经吸附的挥发性有机物易被吹脱下来，不利于污染物去除。水性漆的烘干温度要高于传统的油性漆，因此水性漆喷涂的烘干废气的温度一般在80℃。喷烤漆房结构紧凑，从喷漆室至活性炭过滤装置的距离一般为1～2m，且风速高达5～7m/s，温降很小。因此，需对烤漆废气进行降温处理，可以考虑增加气一气换热器，将废气中的热量回收用于预热烤漆房新风。
3.6废气湿度
近年来，水性漆的应用比例越来越高，除罩光清漆之外，均可以实现水性化。水性涂料主要以水为分散剂，含有少量醇醚"J，GB24409--2009《汽车涂料中有害物质限量》、HG/T4570一2013《汽车用水性涂料》对涂料中的挥发性有机化合物(VOCs)的含量进行了规定。经过对比可发现：水性漆中的水分含量达60%以上，原料成分的变化，导致废气的湿度有所升高，水分会占据活性炭的活性中心，使吸附效率下降。
此外，在喷涂过程中会通过洒水降尘，部分喷烤漆房配备水帘去除漆雾，同时进一步增加喷漆废气湿度。在实际操作中，油性漆喷漆室的相对湿度为50%～80%，水性漆喷漆室相对湿度为(60±5)%。高华生。列等研究空气湿度对低浓度有机蒸汽在活性炭上吸附平衡的影响，发现水蒸气对VOCs在活性炭上的吸附平衡具有明显的抑制作用，为保持活性炭的吸附性能，活性炭的含水率应保持在5%以下。因此，应采取冷凝器、干燥器、丝网除雾器¨1等设施对废气进行除湿，并通过碱处理活性炭提高其疏水性，同时提高对苯系物的吸附能力(表4)。
4结论及建议
目前而言，活性炭吸附法是一种处理喷烤漆废气成熟有效、应用广泛的技术，在实际运行过程净化效果与活性炭种类、装填量、废气成分等因素密切相关。通过选择高质量活性炭、合理核定活性炭装填量，对废气进行降温、除湿预处理等优化，可提高净化效果(表5)。
当前，光催化氧化、低温等离子分解、沸石转轮浓缩等VOCs治理技术在汽修行业得到了推广应用，这些技术工艺与活性炭吸附相结合的组合工艺将是未来的发展方向。
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