摘要：汽修噴烤漆廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)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(jié)合行業(yè)特征,系統(tǒng)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(fā)性有機(jī)廢氣凈化效果的影響,并根據(jù)各因素的影響規(guī)律提出了優(yōu)化措施.  

引言  

2013年，國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，將可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)作為污染防治的重點(diǎn)污染物。揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是指常溫常壓下具有較高蒸汽壓、較強(qiáng)揮發(fā)性的有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，它在環(huán)境中能夠通過化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生PM2.5、O3等二次污染物，是影響大氣環(huán)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(yè)規(guī)模相對小、數(shù)量多、分布分散，多位于城市人口密集區(qū)，且多為低空排放，對環(huán)境和人體健康的影響尤為顯著。  

近年來隨著環(huán)保執(zhí)法日趨嚴(yán)格，汽車維修企業(yè)噴烤漆廢氣治理亟待加強(qiáng)，不少采用活性炭吸附法處理噴涂廢氣的企業(yè)面臨超標(biāo)的問題。據(jù)北京市環(huán)境保護(hù)局網(wǎng)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(yè)受到市環(huán)保局處罰，占全部受罰企業(yè)數(shù)量的14.5%，其中31家受罰原因是噴烤漆廢氣治理設(shè)施不正常運(yùn)行。  

1汽車維修行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)污染物來源  

調(diào)漆、噴涂、烤漆、清洗噴槍等多個環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)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(fā)到噴烤漆房空氣中，是汽修企業(yè)主要的有組織排放源;調(diào)漆、清洗噴槍等環(huán)節(jié)普遍管理薄弱，有些甚至在開放區(qū)域操作，產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)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(fēng)量在10000～20000in3/h，烤漆房內(nèi)風(fēng)速0.2～0.3m/s，排氣管道風(fēng)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(yè)常見揮發(fā)性有機(jī)物污染治理技術(shù)  

有機(jī)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(shè)備成本、運(yùn)行成本方面具有不同的特點(diǎn)。  

汽車維修企業(yè)的噴涂廢氣主要成分為苯系物、醇醚類、酯類有機(jī)溶劑，汽車維修噴涂量小、噴漆室排風(fēng)量大，屬于低濃度有機(jī)廢氣。汽車維修企業(yè)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(yōu)化途徑  

目前，GB20101—2006《涂裝作業(yè)安全規(guī)程有機(jī)廢氣凈化裝置安全技術(shù)規(guī)定》、GB/T7701.1—2008《煤質(zhì)顆粒活性炭氣相用煤質(zhì)顆�；钚蕴俊�、DB/111228--2015《汽車維修業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)對揮發(fā)性有機(jī)廢氣活性炭吸附裝置提出了一些技術(shù)要求，包括風(fēng)道壓差、活性炭粒徑、活性炭用量、更換周期等。在實(shí)際運(yùn)行中，除了符合以上要求之外，還可以從以下方面進(jìn)行考慮和優(yōu)化。  

3.1活性炭種類  

活性炭從原料分為煤質(zhì)活性炭、木質(zhì)活性炭、殼活性炭、纖維活性炭等;從形態(tài)分為粉末活性炭、顆粒活性炭、蜂窩活性炭、纖維活性炭等;根據(jù)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(jié)構(gòu)中有大孔(>50nm)、過渡孔(2～50nm)和微孔(<2nm)，構(gòu)成活性炭比表面積的主要是微孔(表2)。  

當(dāng)吸附質(zhì)直徑大于孔道直徑1/3以上時，吸附質(zhì)運(yùn)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(jìn)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(jī)廢氣分子進(jìn)入活性炭內(nèi)部。結(jié)合汽修噴烤漆廢氣成分及各種活性炭的特征(表3)，優(yōu)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范中對活性炭的裝填量尚未明確規(guī)定，常見噴烤漆廢氣凈化設(shè)備采用多層活性炭板進(jìn)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(jī)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(jù)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(jī)廢氣需要一定的時間。孫一堅(jiān)等提出噴漆廢氣活性炭處理裝置要求廢氣在吸附層內(nèi)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(guān)，與吸附層的截面積和厚度無直接關(guān)系。廢氣在吸附層內(nèi)停留時間可以按照式(3)進(jìn)行計算。  

2015年北京市發(fā)布的《汽車維修業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“每萬m3/h設(shè)計風(fēng)量的吸附劑使用量不應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中，保證通暢排風(fēng)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(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，噴烤漆廢氣成分復(fù)雜，涵蓋酮類、酯類、醇類、醇醚類、苯類等，對某單一物質(zhì)的吸附能力必然小于測試數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計有機(jī)廢氣吸附裝置時，應(yīng)綜合考慮總揮發(fā)性有機(jī)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(zhì)，對不同的有機(jī)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(fā)現(xiàn)6種揮發(fā)性有機(jī)物在二元混合吸附體系中，吸附質(zhì)強(qiáng)弱順序?yàn)閷Χ妆�、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(jié)果與物質(zhì)極性順序相一致。目前汽車水性漆的應(yīng)用比例越來越高，除罩光清漆之外，均能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)化，相應(yīng)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(chǎn)品的吸附容量是在25℃條件下進(jìn)行測定的。李學(xué)佳等H1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體溫度升高時，活性炭吸附量下降。采用有機(jī)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(jī)廢氣的吸附能力較弱，已經(jīng)吸附的揮發(fā)性有機(jī)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(tǒng)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(jié)構(gòu)緊湊，從噴漆室至活性炭過濾裝置的距離一般為1～2m，且風(fēng)速高達(dá)5～7m/s，溫降很小。因此，需對烤漆廢氣進(jìn)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(yù)熱烤漆房新風(fēng)。  

3.6廢氣濕度  

近年來，水性漆的應(yīng)用比例越來越高，除罩光清漆之外，均可以實(shí)現(xiàn)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(zhì)限量》、HG/T4570一2013《汽車用水性涂料》對涂料中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的含量進(jìn)行了規(guī)定。經(jīng)過對比可發(fā)現(xiàn)：水性漆中的水分含量達(dá)60%以上，原料成分的變化，導(dǎo)致廢氣的濕度有所升高，水分會占據(jù)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(jìn)一步增加噴漆廢氣濕度。在實(shí)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(jī)蒸汽在活性炭上吸附平衡的影響，發(fā)現(xiàn)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(yīng)保持在5%以下。因此，應(yīng)采取冷凝器、干燥器、絲網(wǎng)除霧器¨1等設(shè)施對廢氣進(jìn)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(jié)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(yīng)用廣泛的技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)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(guān)。通過選擇高質(zhì)量活性炭、合理核定活性炭裝填量，對廢氣進(jìn)行降溫、除濕預(yù)處理等優(yōu)化，可提高凈化效果(表5)。  

當(dāng)前，光催化氧化、低溫等離子分解、沸石轉(zhuǎn)輪濃縮等VOCs治理技術(shù)在汽修行業(yè)得到了推廣應(yīng)用，這些技術(shù)工藝與活性炭吸附相結(jié)合的組合工藝將是未來的發(fā)展方向。

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