活性炭處理汽修噴烤漆廢氣工藝優化研究
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摘要：汽修噴烤漆廢氣中的揮發性有機物污染問題日益突出.以目前常用的活性炭吸附凈化法為研究對象,結合行業特征,系統分析了活性炭沖類、活性炭裝填量、廢氣停留時間、廢氣成分、廢氣溫度、廢氣濕度等因素對揮發性有機廢氣凈化效果的影響,并根據各因素的影響規律提出了優化措施.
引言
2013年，國務院發布《大氣污染防治行動計劃》，將可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)作為污染防治的重點污染物。揮發性有機物(VOCs)是指常溫常壓下具有較高蒸汽壓、較強揮發性的有機化合物的統稱，它在環境中能夠通過化學反應，產生PM2.5、O3等二次污染物，是影響大氣環境的主要污染物之一。
汽修過程多為小面積噴涂，一般采用空氣噴涂工藝，噴烤漆廢氣普遍采用活性炭吸附法處理，VOCs處理效果不理想。同時，汽修企業規模相對小、數量多、分布分散，多位于城市人口密集區，且多為低空排放，對環境和人體健康的影響尤為顯著。
近年來隨著環保執法日趨嚴格，汽車維修企業噴烤漆廢氣治理亟待加強，不少采用活性炭吸附法處理噴涂廢氣的企業面臨超標的問題。據北京市環境保護局網站公開的行政處罰信息，2015—2016年北京市共計有37家汽修企業受到市環保局處罰，占全部受罰企業數量的14.5%，其中31家受罰原因是噴烤漆廢氣治理設施不正常運行。
1汽車維修行業揮發性有機污染物來源
調漆、噴涂、烤漆、清洗噴槍等多個環節均會產生揮發性有機污染物，尤其是在噴涂烘烤過程，涂料中含有的VOCs幾乎全部揮發到噴烤漆房空氣中，是汽修企業主要的有組織排放源;調漆、清洗噴槍等環節普遍管理薄弱，有些甚至在開放區域操作，產生的揮發性有機物難以有效收集處理，是重要的無組織排放源(圖1)。目前噴烤漆房的額定風量在10000～20000in3/h，烤漆房內風速0.2～0.3m/s，排氣管道風速為5～7m/s，廢氣中VOCs初始濃度一般為100～200mg/m3。
2汽車維修行業常見揮發性有機物污染治理技術
有機廢氣的處理方式主要有吸附法、催化燃燒法、熱力燃燒法、冷凝法等，這些方法在適用對象、處理效果、設備成本、運行成本方面具有不同的特點。
汽車維修企業的噴涂廢氣主要成分為苯系物、醇醚類、酯類有機溶劑，汽車維修噴涂量小、噴漆室排風量大，屬于低濃度有機廢氣。汽車維修企業普遍采用一體化噴烤漆房，配備過濾地棉+活性炭吸附的方法處理噴漆廢氣，其中地棉主要用于捕集漆霧顆粒，活性炭主要用以吸附VOCs(表1)。
3活性炭吸附法優化途徑
目前，GB20101—2006《涂裝作業安全規程有機廢氣凈化裝置安全技術規定》、GB/T7701.1—2008《煤質顆�；钚蕴繗庀嘤妹嘿|顆�；钚蕴俊�、DB/111228--2015《汽車維修業大氣污染物排放標準》等標準對揮發性有機廢氣活性炭吸附裝置提出了一些技術要求，包括風道壓差、活性炭粒徑、活性炭用量、更換周期等。在實際運行中，除了符合以上要求之外，還可以從以下方面進行考慮和優化。
3.1活性炭種類
活性炭從原料分為煤質活性炭、木質活性炭、殼活性炭、纖維活性炭等;從形態分為粉末活性炭、顆�；钚蕴�、蜂窩活性炭、纖維活性炭等;根據吸附對象可以分為氣相用活性炭和液相活性炭�；钚蕴课⒂^結構中有大孔(>50nm)、過渡孔(2～50nm)和微孔(<2nm)，構成活性炭比表面積的主要是微孔(表2)。
當吸附質直徑大于孔道直徑1/3以上時，吸附質運動就受阻，吸附量下降。汽修噴烤漆廢氣的VOCs主要成分為苯系物、醇醚類、酯類，分子直徑在0.3～1nm，活性炭吸附VOCs主要在微孔中進行，因此微孑L的比例越高越好，同時需要一定量的中孔，便于有機廢氣分子進入活性炭內部。結合汽修噴烤漆廢氣成分及各種活性炭的特征(表3)，優先選擇高比表面積和高四氯化碳(CTC)吸附率的活性炭品種。
3.2活性炭裝填量
目前相關標準、設計規范中對活性炭的裝填量尚未明確規定，常見噴烤漆廢氣凈化設備采用多層活性炭板進行吸附，一共使用4塊左右，重量總計約50kg，采用水平或M型放置�；钚蕴康难b填量決定了吸附有機廢氣總量以及更換頻次，按照四氯化碳吸附率來計算，可以根據使用原料中VOCs含量推算活性炭最低裝填量。
3.3廢氣停留時間
廢氣的流速對其在吸附劑中的停留時間影響較大，活性炭吸附有機廢氣需要一定的時間。孫一堅等提出噴漆廢氣活性炭處理裝置要求廢氣在吸附層內停留時間為0.2～2.0S。廢氣停留時間與活性炭裝填量密切相關，與吸附層的截面積和厚度無直接關系。廢氣在吸附層內停留時間可以按照式(3)進行計算。
2015年北京市發布的《汽車維修業大氣污染物排放標準》規定：“每萬m3/h設計風量的吸附劑使用量不應小于1m3’’，裝填密度一般為450kg/m3，通過式(3)計算停留時間為0.36s，滿足“0.2—2.0s”的要求。在實際應用中，保證通暢排風的前提下，降低廢氣流速，提高廢氣停留時間，可提升廢氣凈化效果。
3.4廢氣成分
活性炭的四氯化碳吸附值、甲苯吸附值是單一組分條件下測試得到的數據，在實際應用中，噴烤漆廢氣成分復雜，涵蓋酮類、酯類、醇類、醇醚類、苯類等，對某單一物質的吸附能力必然小于測試數據。因此，設計有機廢氣吸附裝置時，應綜合考慮總揮發性有機物的量。
活性炭是非極性分子，易于吸附非極性或極性較低的吸附質，對不同的有機物吸附能力也不同，存在競爭吸附或置換吸附的情況。陳良杰研究發現6種揮發性有機物在二元混合吸附體系中，吸附質強弱順序為對二甲苯、甲苯、正丙醇、乙酸乙酯，吸附性能最弱的是乙醇和乙酸乙酯，該結果與物質極性順序相一致。目前汽車水性漆的應用比例越來越高，除罩光清漆之外，均能夠實現水性化，噴烤漆廢氣的VOCs主要成分也從原來的苯系物向醇類、酯類轉化，相應的分子極性也有所增加，若仍然采用非極性的活性炭作為吸附劑，其凈化效果會下降。因此，通過在凈化裝置中增加沸石、改性分子篩、氧化鋁等極性吸附劑，可提高對廢氣中醇類、酯類組分的凈化效果。
3.5廢氣溫度
目前，活性炭產品的吸附容量是在25℃條件下進行測定的。李學佳等H1發現，當氣體溫度升高時，活性炭吸附量下降。采用有機溶劑型涂料的汽車維修烤漆房通常的工作溫度為60℃，在該溫度下，活性炭對有機廢氣的吸附能力較弱，已經吸附的揮發性有機物易被吹脫下來，不利于污染物去除。水性漆的烘干溫度要高于傳統的油性漆，因此水性漆噴涂的烘干廢氣的溫度一般在80℃。噴烤漆房結構緊湊，從噴漆室至活性炭過濾裝置的距離一般為1～2m，且風速高達5～7m/s，溫降很小。因此，需對烤漆廢氣進行降溫處理，可以考慮增加氣一氣換熱器，將廢氣中的熱量回收用于預熱烤漆房新風。
3.6廢氣濕度
近年來，水性漆的應用比例越來越高，除罩光清漆之外，均可以實現水性化。水性涂料主要以水為分散劑，含有少量醇醚"J，GB24409--2009《汽車涂料中有害物質限量》、HG/T4570一2013《汽車用水性涂料》對涂料中的揮發性有機化合物(VOCs)的含量進行了規定。經過對比可發現：水性漆中的水分含量達60%以上，原料成分的變化，導致廢氣的濕度有所升高，水分會占據活性炭的活性中心，使吸附效率下降。
此外，在噴涂過程中會通過灑水降塵，部分噴烤漆房配備水簾去除漆霧，同時進一步增加噴漆廢氣濕度。在實際操作中，油性漆噴漆室的相對濕度為50%～80%，水性漆噴漆室相對濕度為(60±5)%。高華生。列等研究空氣濕度對低濃度有機蒸汽在活性炭上吸附平衡的影響，發現水蒸氣對VOCs在活性炭上的吸附平衡具有明顯的抑制作用，為保持活性炭的吸附性能，活性炭的含水率應保持在5%以下。因此，應采取冷凝器、干燥器、絲網除霧器¨1等設施對廢氣進行除濕，并通過堿處理活性炭提高其疏水性，同時提高對苯系物的吸附能力(表4)。
4結論及建議
目前而言，活性炭吸附法是一種處理噴烤漆廢氣成熟有效、應用廣泛的技術，在實際運行過程凈化效果與活性炭種類、裝填量、廢氣成分等因素密切相關。通過選擇高質量活性炭、合理核定活性炭裝填量，對廢氣進行降溫、除濕預處理等優化，可提高凈化效果(表5)。
當前，光催化氧化、低溫等離子分解、沸石轉輪濃縮等VOCs治理技術在汽修行業得到了推廣應用，這些技術工藝與活性炭吸附相結合的組合工藝將是未來的發展方向。
