第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
随着工农业的快速发展，以及城市生活质量的显著提高，工业化和城市化在
促进社会经济繁荣的同时，人类和生物所依赖的生态环境问题也日益突出。目前，
水污染、土壤污染以及大气污染等生态环境破坏引起了广泛的社会关注。而其中
的有害气体，更为直接的体现是农垦烧荒、火灾以及工农业粉尘引起的颗粒物污
染（粉尘和酸雾、气溶胶等）[1-2]。近年来日益突出的雾霾和全球气候变暖问题
更是将人们的关注焦点提升到了大气污染预防和治理的层次。自从2013年开始，
以京津冀为主的地区空气质量不断恶化，阴霾天数逐渐增多，最长雾霾天气持续
100 多天，并逐步呈现向全国其他地区扩展的趋势，长期不断加重的雾霾天气不
仅给人们的出行带来了障碍，也危害了人们的身体健康[3-4]。而另一方面，自 21
世纪以来，大量温室气体排放所引起的全球平均温升为 0.5℃，而如果按照目前
温室气体排放的速度和强度来看，预计到 2030 年，全球平均气温将再提高 2℃～3℃，进而引起的灾害性天气和异常天气将更加频繁[5-6]。因此，人类面对的大气环境污染形势依然严峻，迫切寻求大气污染防护与治理的可行之道。
大气污染中最为主要的污染源是挥发性有机物（VOC）的排放。高碳烷烃的
排放会严重影响影响人的中枢神经，而苯系芳烃和氯化有机物的突出则会直接造
成人类机体的癌变、畸变等生理突变行为[7]。VOCs 的排放不仅降低了人们的生
活质量，更对大气生态环境系统产生巨大的威胁。有关研究表明，VOCs 是有机
气溶胶形成的主要前躯体物质，其大范围的迅速扩散和流通，通过改变大气的物
化性质进而对区域乃至全球大气环境产生显著的影响[8]。这些影响不仅包括颗粒污染对人体呼吸道产生的危害，还包括潜移默化的光化学污染[7]。
1.2 VOCs污染现状
印刷、涂料、涂胶、塑料、感光材料、印染、医药、化学纤维、合成橡胶以
及许多焦化产品和石油化工产品的生产使用过程中，都会产生大量的挥发性有机
废气。该类有机废气大多具有毒性，部分（如氯乙烯、苯、多环芳烃等）已被
国际卫生组织列为致癌物。而且该类有机废气除了含氯有机物外，大多易燃易爆，
影响着实际的工农业安全生产。与甲烷、二氧化碳一样，许多VOCs 具有更大温
室效能和臭氧破坏力，如氯氟烃(CFCs)和含氢氯氟烃(HCFCs)等卤代有机废气。
VOCs ，世界卫生组织（ WHO ）将其定义为： MP<25 ℃， BP<260 ℃，
Psat>70.91Pa 的 逸散于 空气中的 一类 挥发 性有机化合物 （ volatile organic compounds）气体的总称[10]。而我国沈学优等关于VOCs的解释为，BP 介于 50～260℃之间、常温下 Psat>133.322Pa 的易挥发性有机化合物[11]。根据饱和蒸汽压和沸点可分为总挥发性有机物（TVOCs）、极易挥发性有机物（VVOCs）、挥发性有机物（VOCs）和半挥发性有机物（SVOCs）四大类，而根据有机化合物官能团的性质结构可细归类为 9 类：烷烃、芳香烃类、烯烃类、卤烃类、酯类、醇类、醛类、酮类以及其它化合物[12-13]。
动息息相关，还跟自然系统的生命和非生命活动有关，因此，研究如何从源头上
控制VOCs的排放是VOCs减排和净化大气的根本[14]。常见的VOCs人为排放源可分为固定排放源和移动排放源两大类，其中人为固定排放源主要是重点的
VOCs 排放行业如石化行业的油品加工生产和家具制造与汽车制造表面涂装等，
而人为移动排放源则与人类的日常产品消费行为有关，如交通行业的机动车尾气
的排放[15]。目前，我国VOCs人为排放源污染呈现排放负荷大、重点区域高度集中以及行业分布范围广的趋势[16]。
典型的VOCs的自然排放源主要有生物源和非生物源两类，生物源大多由淀
粉、脂肪以及蛋白质等氧化分解产生的有机污染物，而合成材料、装饰材料等非
生物源高温氧化分解会释放出一部分低分子污染物[17]。
1.2.2 VOCs的环境危害
当VOCs的排放浓度和排放量超过大气的自净负荷，人类赖以生存的地球环
境的将会持续恶化，进而产生其它一系列不利的污染影响，如诱发灰霾和雾霾、
光化学烟雾、污染室内空气、影响动植物生长以及导致复合型污染。常见的 VOCs
环境危害体现在以下几个方面[18-20]。
①、VOCs 大多存在光催化活性，能够与空气中的氮氧化合物（NOx）发生
光化学反应形成强活性自由基等光化学烟雾污染物，进而导致地表灰霾烟雾浓度
的显著增加，最终影响动植物的生长规律。伦敦、东京等国际化大都市曾经出现
过的光化学烟雾染污事件，以及近几年中国以京津冀为主的城市出现的全国范围
的雾霾事件再一次向人们敲响了VOCs有效控制的警钟；
②、VOCs 多半属于强挥发性的易燃有机化合物，如芳香烃类和酮类，这些
有机化合物排放浓度达到大气中爆炸极限时，在电火花、明火、静电、高温等条
件下极易发生爆炸和引起火灾，众多石化行业的爆炸和火灾事故证明了 VOCs
排放潜在的危险性。
③、氟氯烃类VOCs在紫外线条件下，发生光催化反应，形成氟氯原子对臭
氧层产生毁灭性和持久性的破坏，臭氧层的破坏使得地表紫外线穿透率显著增加，进而造成地球生态环境的紫外辐射损伤。
（3）VOCs 多半具有光化学反应性，在阳光照射下，VOCs 会与大气中的
NOx 发生化学反应，形成二次污染物（如：臭氧等）或强化学活性的中间产物
（如：自由基等），从而增加烟雾及臭氧的地表浓度，会对人造成生命危险，同
时也会危害农作物的生长，甚至导致农作物的死亡。由光化学反应所造成的烟雾，
除了能降低能见度之外，所产生的臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、过氧苯酰硝
酸酯（PBN）、醛类等物质可刺激人的眼睛和呼吸系统，危害人的身体健康，伦
敦、东京等城市都相继出现过光化学烟雾污染事件。
（4）某些VOCs易燃，如苯、甲苯、丙酮、二甲基胺及硫代烃等，这些物
质的排放浓度较高时如果遇到静电火花或其他火源，容易引起火灾。近年来由于
VOCs 造成的火灾及爆炸事故时有发生，尤其是常发生在石油化工企业。
（5）部分VOCs可破坏臭氧层，如氟氯烃物质。当其受到来自太阳的紫外
辐射时，可发生光化学反应，产生氯原子，从而对臭氧层中的臭氧进行催化破坏。
臭氧量的减少以及臭氧层的破坏使到达地面的紫外线辐射量增加。紫外线对人类
皮肤、眼睛及免疫系统有较大的危害。
1.2.3 VOCs的人体毒害
VOCs 的大气排放污染对人体造成的影响是多方面的，而且大多是长久性的
致命的伤害。VOCs 污染对人体的影响具体表现为以下几个方面[21-24]：
（1）VOCs 影响人体呼吸系统。恶臭类、有机硫化物、含氯和含氮有机化
合物等几乎全部VOCs等具有强烈的刺激性气味和臭味，可引起人的嗅觉、呼吸道和肺部等感官上的不适，进而显著降低人们的生活质量。
（2）皮肤和眼睛的刺激性。过氧乙酰硝酸酯（PAN）、过氧苯酰硝酸酯（PBN）、
醛类等渗透性强的VOCs可刺激人们的眼睛和皮肤，从而影响人的身体健康。
（3）血液、神经系统和肝脏的损伤。人们长期接触苯、甲苯、甲醛等挥发
性气体不仅会造成神经系统和肝脏系统的衰竭病变，还能够诱发白血病和贫血症
等血液疾病，且高浓度时人体会出现恶心、抽搐、昏迷等症状。
（4）三致作用。芳香烃类 VOCs、烯烃类VOCs以及卤系VOCs等持续作
用于人体会引起致癌、致畸和致突变。
1.3 VOCs污染防治技术
VOCs 除了作为一类大气污染物外，VOCs 同时也是一种高附加价值的有机
化合物，应当给予回收，以实现物质的循环利用。前面已详细叙述了VOCs 减排
的根本之策就是有效控制各种途径的排放源，而对于已经产生污染的 VOCs，回
收技术和销毁技术是两种传统的VOCs污染控制技术。VOCs 回收技术是通过高
效分离和净化手段（精馏、膜分离、吸收和吸附等）选择性地脱除和浓缩大气中
的不同浓度范围的有机化合物[25]，
销毁技术则是通过生物或化学降解法，使VOCs中易分解的有机物转变为小分子的 H2O和CO2，典型的销毁工艺主要有生物降解法和化学燃烧法[26]。常见的VOCs治理技术见图1-1[27-28]。本章节将从实现VOCs回收价值的角度分析系统综述VOCs的治理技术。
图1-1 典型的VOCs防治技术
Fig. 1-1 Typical treatment technologies ofVOCsfor recovery and disposal
1.3.1 VOCs冷凝法回收
VOCs 通常是多种不同沸点和饱和蒸汽压的物质构成的复杂有机挥发性气态
化合物。与低温精馏空分氮氧类似，VOCs 冷凝回收法就是通过降低温度至组分
露点以下和提高压力至液化压力以上使具有不同挥发度的VOCs各物质逐步凝
结析出，进而进行分层回收或使得空气净化[29]。VOCs具有较高浓度和较大排放
量时，冷凝法才会体现出较高的经济性，且 VOCs回收率和脱除率与其初始浓度
和冷凝温度有关，在一定冷却温度条件下，较大的VOCs初始浓度对应较高的
VOCs 去除率或回收率。当VOCs浓度5000ppm 时，处理效率介于 50-85%之间，
而当VOCs 浓度10000ppm 时，可以获得>90%的VOCs回收率[30]。处理低浓度
VOCs 时，相比其它分离技术，尽管也能够获得相对较高的回收率，但是运行成
本则会大大提高。因此，冷凝法常作为其他回收方法净化VOCs的前处理步骤，
以降低有机废气的冷凝负荷。常见的VOCs冷凝回收工艺如图1-2所示[31]。VOCs冷凝技术的优点是设备工艺简单，可回收高浓度单一有用成分；缺点是不适宜处理低浓度的有机废气，且对入口VOCs组成要求不同有冷较低的却温度。
图1-2 冷凝法VOCs回收净化工艺
Fig. 1-2 Condensation process forVOCsremoval and recovery
1.3.2 VOCs吸收法回收
吸收法净化回收VOCs 是通过将VOCs 在吸收设备中与吸收剂进行逆向气液
接触传质，使一种或多种高溶解度的有机组分选择性溶解于吸收液中进行后续回
收，或与洗手液进行化学反应进行中和或氧化脱除。此方法适合于大气量、中等
浓度的含VOCs废气的处理。选择性溶解或反应的吸收剂不仅要具备较大 VOCs
溶解性、低的分子量和饱和蒸汽压，还要具有较高的解吸能力和化学稳定性。吸
收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。目前VOCs 吸收剂
大多都是油类物质，吸收设备主要是用于洗涤的各种类型的填料塔、湍球塔、板
式塔、喷淋塔等。如图1-3所示，即为VOCs吸收净化工艺流程图[32]。
水作为工农业生产过程中最为清洁的溶剂，不仅廉价易得，而且对多种复杂
的操作环境具有极强的适用性。但是大多数挥发性有机物废气组分在水中的溶解
度很小，因此常沸点较高、蒸汽压较低的柴油和煤油等VOCs 吸收法回收的有机溶剂。吸收法VOCs净化工艺特点是工艺技术成熟且流程和设备简单，适用于各
种有机废气的处理，并可回收有价值的产品，但同时对吸收设备要求较高，设备
耐腐蚀性和吸收剂的吸收效率和解吸效率都会影响吸收工艺的成本[33]。
图1-3VOCs吸收法净化工艺
Fig. 1-3 Absorption technology forVOCspurification
吸收法VOCs净化工艺特点是工艺技术成熟且流程和设备简单，适用于各种
有机废气的处理，并可回收有价值的产品，但同时对吸收设备要求较高，设备耐
腐蚀性和吸收剂的吸收效率和解吸效率都会影响吸收工艺的成本[33]。
1.3.3 VOCs膜分离法回收
膜分离过程是一种物理传质过程，具有装置体积小且可拆、无相变化、以及
节能等特点，使膜分离技术广泛应用于水处理过程及各种环保等行业中。VOCs
膜分离法是根据气体透过选择性膜的速率不同，在压力作为传质推动力的下，从
而将VOCs气体混合物进行选择性地筛分的过程。该法适用于处理有机物浓度较
高的废气，回收效率可以达到 97%以上；且可根据不同的VOCs组成选择不同的
膜种类和设计不同的工艺类型，以期获得较好的VOCs膜通量和透过率，进而获
得较高的工艺操作弹性和经济的投资和运行成本[34]。典型的膜分离法VOCs回收工艺流程见图1-4[35]。
膜分离法VOCs回收的优点是选择性好，能够高效回收VOCs中的高价值组
分，并可耦合其它分离技术，具有较强的适应性；缺点是成本较高，对膜的依赖性强，膜稳定性的控制要求较高，膜分离法属于新型VOCs治理技术，离工业化
还有一段距离[36]。
图1-4 膜分离法治理VOCs工艺
Fig.1-4 Membrane separation process forVOCsremoval and recovery
1.3.4 VOCs吸附法回收
吸附法是利用多孔性固体吸附材料对VOCs中各组分的吸附选择性的不同，
强吸附组分被选择性吸附在吸附剂上，而弱吸附组分则很快穿透吸附剂床层，从
而达到净化和富集的目的。目前，吸附分离技术已广泛应用于石油化工、水处理、
环境工程等领域，成为工业生产过程中一项重要的分离和纯化技术。为提高净化
效率，吸附法常与吸收、冷凝、催化燃烧等方法混合使用。常见的用于 VOCs
治理的吸附工艺如图1-5所示，其中用于分离的主要设备是多个并联的吸附塔，
而提供分离传质相界面的是多孔性吸附材料。常用的商业多孔性吸附剂有活性炭、活性炭纤维、分子筛、硅胶以及活性氧化铝等。
吸附剂性能是决定VOCs吸附回收效果的关键因素，这是因为吸附剂的
VOCs 吸附性能不仅决定着生产运行成本，更决定着吸附工艺的操作方式（变温
吸附和变压吸附）。相关研究表明，活性炭类吸附剂对VOCs有较好性能表现，
而且活性炭纤维由于具有较大的比表面和均匀的孔结构对VOCs吸附和脱附性
能最佳，相对于变压吸附，VOCs 在活性炭上的吸附作用对温度较为敏感，故目
前的VOCs吸附回收大多采用低温吸附和高温解吸的变温吸附工艺[38]。良好的
VOCs 吸附剂除了要求具备较大的比表面和发达的孔结构外，高的机械强度和化
学稳定性也决定着吸附剂和工艺运行成本。活性炭作为一种理想的VOCs吸附剂，
用活性炭作为吸附剂回收和净化VOCs的工业应用很多，如煤质颗粒活性炭、椰
壳活性炭、纤维状颗粒活性炭以及泡沫活性炭等。
吸附法可用于中低浓度VOCs的分离和净化，优点是去除效率高，自动化程
度高、能耗低和操作弹性大；缺点是不适用于高温高浓度VOCs的回收，且吸附
剂易受杂质影响而失活，从而需要定期更换吸附剂材料[39]。
图1-5VOCs吸附回收工艺
Fig.1-5 Adsorption process forVOCsremoval and recovery
1.3.5 VOCs燃烧销毁技术
相比物理性的VOCs回收过程，化学转化过程可用于将有害的VOCs污染物
转变为污染小或毒性低的 CO2、H2O 以及卤化氢等无机物。VOCs 化学转化过程
是通过燃烧氧化和高温热分解等化学作用实现的。可燃的或高温易分解的绝大部
分VOCs都可采用此法进行处理，如化工、喷漆、绝缘材料等行业产生的有机废
气都广泛采用了燃烧净化。燃烧销毁法可分为直接燃烧法、热力燃烧法和催化
燃烧法三种技术，典型的三种燃烧工艺对应的性能表现见表 1-1所示[41]。
表 1-1 燃烧法VOCs治理工艺性能表现
Table 1-1 Performances of combustion process forVOCstreatment
|
燃烧工艺 |
直接燃烧法 |
热力燃烧法 |
催化燃烧法 |
|
适用范围 |
较高浓度和较高热值 |
低浓度 |
低浓度 |
|
燃烧温度/℃ |
>1100 |
700~870 |
300~450 |
|
处理效率/% |
>95 |
>95 |
>95 |
|
最终产物 |
CO2、H2O |
CO2、H2O |
CO2、H2O |
|
投资 |
较低 |
低 |
高 |
|
运行费用 |
低 |
高 |
较低 |
|
其他 |
易爆炸、热能浪费，二次污染 |
回收热能 |
催化剂易中毒，进气组分要求较严格 |
由于燃烧法采用的是化学转换法，因而不同直接有效回收VOCs价值组分，
但可以回收燃烧过程产生的余热。燃烧法去除VOCs的优点是去除率较高，一般
在 95%以上；缺点是直接燃烧法不易控制，易发生爆炸而产生二次污染；热力燃
烧法的装置运行费用较高；催化燃烧法的催化剂成本较高，且易中毒，需要定期
更换催化剂，从而对VOCs进气组分要求较严格[42]。
1.3.6 VOCs生物降解技术
生物法是利用附着在反应器填料上微生物的新陈代谢作用，将VOCs中污染
物消化分解为无害的 CO2、H2O 等无机物和细胞质等无机盐类[43]。将含硫恶臭VOCs 的硫先后转化为硫化氢稳定的硫酸盐；含氮VOCs中的氮转化为硝酸盐或氮气[44]。典型的生物法处理VOCs的工艺有生物洗涤法、生物过滤法和生物滴滤法三种，其对应的工艺流程分别见图1-6(a)-(c)[45]。
图1-6 VOCS生物降解工艺
Fig. 1-6 Biological degradation process forVOCstreatment
生物法可应用于有机硫化物、有机氮化物等大部分VOCs的脱臭处理，设备
简单，投资少，运行成本低，去除率高且无二次污染，但分解所用的污染物的环
境要求高，不适用于一些难降解的低浓度VOCs如高卤素有机物[46]。
1.3.7 VOCs等离子体技术
等离子体技术是近几年新发展的VOCs前言防治技术，利用等离子场能富集
大量如离子、电子、激发态的原子、分子及自由基等活性物种的特性，进而活性
物种能够将大分子VOCs物质离解为小分子物质（图1-7）[47]。
恶臭类VOCs中的 C-S 和 S-H 键容易离解，因此等离子技术能够很好的应
用于橡胶行业有机废气和食品加工行业的有机废气的除臭。等离子技术适用于低
浓度和大风量VOCs及室内空气净化处理，在VOCs治理方面具有很多优势，如
设备简单，维护方便，去除率高，能耗低，VOCs 的工业化和商业化前景巨大。
但该技术对水蒸气比较敏感，当水蒸气含量高于 5％时处理效率及效果将受到影
响，且初始设备投资较高。目前，低温等离子体技术处理VOCs由于其开发难
度大、资金有限、使得该技术难以成熟并取得商业化应用。其可能取得突破的方
向是开发出能与催化剂进行最佳配置的等离子体反应器和合适催化剂。
图1-7 等离子技术治理VOCs工艺
Fig. 1-7 Plasma technology forVOCsdisposal
1.3.8 VOCs光催化技术
光催化法主要是利用TiO2的光催化活性，受特定波长光照刺激而激发出电
子空穴对，将H2O和O2氧化为强氧化活性自由基，从而吸附在TiO2表面的 VOCs氧化为无害的 H2O和CO2等无机物[50]。如图1-8所示[51]，一定波长的不可见光（通常为紫外光）照射 TiO2光催化剂，进而激发出“电子-空穴”（一种高能粒子）对，这种“电子-空穴”对与水、氧等发生氧化还原反应，生成具有极强氧化能力的自由基活性物质，进而将吸附在TiO2表面上的有机化合物氧化为无
图1-8 光催化技术VOCs处理工艺
Fig. 1-8 Photocatalytic process used in treatingVOCs
光催化法具有反应条件温和（常温、常压），设备简单和维护方便，反应无
副产等优点。但目前光催化氧化技术还面临着反应速率慢、光氧化效率低、气候
和工况影响大等缺点[52]。
1.3.9 VOCs防治技术比较
吸附、催化燃烧和生物处理方法是目前国内外应用较多的VOCs处理技术，
市场占有率都大于 15%。尽管国内外VOCs处理技术商业化应用情况存在一定差
异，但吸附技术均有较高的市场占有率[53]。不同VOCs处理技术具有不同的浓度和流量处理范围（图1-9），冷凝和膜分离处理浓度10000 mg/m3的VOCs且大
于能力较小；吸附、燃烧、生物技术具有较大的处理能力，适用于VOCs浓度小
于 10000mg/m3的有机废气[54]。因此，在适于回收高价值VOCs的情况下，吸附技术是一种经济高效的回收技术，建设成本低，具有广泛应用前景[55]。
图1-9 不同VOCs处理技术适用范围
Fig. 1-9 Applicable scope for differentVOCstreatment technologies
1.4 VOCs吸附回收工艺
吸附是一种利用气体吸附质与固体吸附剂材料接触时形成的范德华力的大
小的不同，从而实现气体混合物的选择性筛分。吸附技术由于具有自动化程度高、
能耗低和高操作弹性等优势，目前已广泛应用于气体的大容量分离和净化。对于
类似于VOCs的气态污染物的有效控制，吸附是一种经济的VOCs治理技术，适
用于中低浓度（2000-5000mg/m3）的分离和净化，而对于高浓度的VOCs则需要
增加前级冷凝技术。在众多影响VOCs污染控制效果的因素中，高效吸附剂的选
择、经济的吸附设备和工艺的设计、再生介质的选择以及后处理工艺的设计是所
有VOCs吸附回收流程所要解决的关键技术难题[56]。
1.4.1 吸附分离的基础
固体表面结构的不连续性使得其作用在表面的力是不均匀的。因此，当固体
暴露在气体中，气体分子受静电场力作用附着在固体表面，这种现象称为吸附。
吸附分为物理吸附和化学吸附，两者没有严格界限，基本原理和过程都比较相似。
物理吸附认为固体与气体表面之间的作用力为范德华力，结合强度比较弱，吸附
和解吸的活化能也比较小；化学吸附，即固体表面原子与被吸附气体发生了电子
转移、原子重排或者化学键的破坏与生成等作用，结合能力很强。固体吸附材
料的比表面积越大，气-固之间的分子作用能力越强，吸附现象就会更加明显，
吸附量也就越大。当固体表面的气体的分压降低，则会发生被吸附的气体向气相
的脱附现象。通常物理吸附具有很好的可逆性，解吸比较容易，化学吸附的解吸
相对比较困难，需要借助加热、反应再生等条件。
吸附分离是一种由多组分流体(气体或液体)混合物与吸附剂固体表面充分
接触，且混合物组分与吸附剂表面之间存在着不同的作用力，从而使作用力较强
的组分在吸附剂表面吸附富集并与作用力较弱的组分产生分离的过程。吸附等
温线是用来描述吸附质与吸附剂之间的吸附平衡关系的基础，即温度降低和压力
升高，吸附剂对吸附质的饱和吸附量增大，反之则减小。变压吸附技术则是通过
压力的变化而使混合气体在吸附剂中吸附和脱附交替进行的循环过程，而变温吸
附则是通过温度的增大或减小的周期性变化来是实现吸附质的吸附和吸附剂的
再生过程的[59]。
1.4.2 吸附剂的选择
吸附剂材料的性能直接决定着VOCs吸附回收装置的投资和运行成本。工业
吸附剂的使用要求是大的比表面积、高的孔隙率和均匀的孔结构以保证较高的
VOCs 吸附选择性和脱附选择性。吸附等温线是用于描述吸附质组分在吸附剂上
的吸附和再生性能与温度和压力的非线性关系。一般来说，低温和高压下实现吸
附质的吸附，高温和低压下实现吸附质和吸附剂的再生过程。目前，商业化的用
于气体吸附分离和净化的吸附剂有活性炭、分子筛、硅胶和活性氧化铝等[60]。
（1）活性炭
活性炭因其具有较大的比表面积和发达的孔结构而广泛应用于VOCs的回
收。活性炭吸附材料VOCs具有很强的亲和性，强疏水的表面可以处理不同湿度
的有机废气，同时化学性质稳定和价格低廉保证了活性炭VOCs的优良的吸附性
能[62]。相比普通商业活性炭，纤维活性炭具有更好的分离性能，运行成本低，
VOCs 回收率高，装置简单，维修方便，应当为VOCs吸附回收的优选吸附材料。
目前，对活性炭吸附VOCs的研究主要集中在吸附平衡的预测、活性炭材料的改
性及有机物的物化性质对活性炭吸附性能的影响等方面[63]。
（2）分子筛
分子筛是一种微孔型具有立方晶格的硅铝酸盐的多水化合物，通用公式为：
Mx/m[(AlO2)x(SiO2)y].zH2O，人工合成的，也有天然的，合成沸石亦称为沸石分
子筛。不同VOCs吸附质组分由于具有不同分子大小和动力学直径，因此可以通
过特定尺寸的分子筛孔道结构，将大分子直径的VOC截留在吸附剂外表面，分
子直径小于微孔尺寸的VOC则发生微孔吸附，从而实现VOCs的选择性筛分[64]。
因此，按照气体分子大小可行进行气体选择性吸附分离。分子筛属于强极性吸附
材料，对强VOCs中大部分强极性和大分量组分如甲醇、丙酮、甲苯等具有很强
的吸附能力，而对于N2和O2等弱极性分子的吸附能力较弱，因此应用分子筛可以实现空气中的VOCs分离和净化[65]。
（3）硅胶
硅胶是一种人工合成无定型的二氧化硅晶体，主要成分为 SiO2?nH2O。由于
人工合成的多孔 SiO2杂质少，品质纯正，耐热耐磨性好，而且可以根据需要制
成特定的形状、粒度和表面结构，工业上作为吸附剂使用的硅胶都是人工合成的。
硅胶是一种介于高疏水性活性炭和高亲水性的分子筛之间的一种吸附剂，对于极
性化合物有很强的吸附能力，也能吸附弱极性化合物或非极性化合物。硅胶是一
种亲水性吸附剂，能很快的吸附水分。当水分占据了毛细孔后，硅胶的吸附能力
会迅速下降直至无吸附力。硅胶吸附活性随含水量的增加而降低。当含水量为
1%时，活性最高；20%时，活性最低，一般要求含水量不超过 15%，最好不超
过 10%。因此，采用硅胶吸附剂，使用环境最好为非水环境，否则会影响其吸附性能。因此，食品行业常将硅胶用作干燥剂，工业上硅胶可以很好的应用于烃类的分离和二氧化碳的捕集等工艺[66]。
（4）活性氧化铝
活性氧化铝是通过将Al2O3的水合物 Al(OH)3或 AlO(OH)经不同温度的加热
脱水处理而得到的一种人工合成的多孔性固体物质，是一种部分水化、多孔性、
无定形的氧化铝（Al2O3H2O），具有很强的极性。根据合成工艺的不同，可制
得 8 种亚稳态的氧化铝，其中以 γ-Al2O3 和 β-Al2O3 的化学活性为最高，故称为活性氧化铝。活性氧化铝吸附剂具有许多毛细孔道,表面积大,可作为吸附剂、
干燥剂及催化剂使用。同时还根据吸附物质的极性强弱来确定，对水、氧化物、
醋酸、碱等具有较强的亲合力，活性氧化铝是一种微水深度干燥剂，也是吸附极
性分子的吸附剂，广泛用于石油化工的气、液相干燥，用于纺织工业、制氧工业
以及自动化仪表风的干燥，空分行业变压吸附等[67]。而活性氧化铝也能够实现
VOCs中硫、氮有机物的脱臭。由于单分子吸附层的净热量高，所以非常适用于
无热再生装置。
1.4.3 吸附工艺原理及流程
良好的吸附剂材料是吸附设备和工艺设计的前提，吸附分离就是通过吸附质
与吸附剂之间的吸附平衡关系（吸附等温线）来实现高压低温吸附和低压高温脱
附的过程。应用吸附等温线，目前大部分VOCs吸附回收工艺选择高温较易脱
附的变温吸附工艺，再生用的介质通常用价廉且潜热大的水蒸气，床层干燥用的
介质为热的空气，后处理工艺通常将吸附与冷凝法连用，脱附后的有价值的VOCs
进行冷凝回收。目前，纺织涂层行业产生的大量挥发性有机溶剂的回收大多采
用此类吸附脱附工艺。典型的VOCs吸附回收工艺见图1-16[70-72]。
有机废气经风管进入本系统，VOCs中含有的少量粉尘等固体物质经粗滤装
置进行去除，通过表冷器可将废气温度稳定在常温。由主风机提供系统有机废气
传送动力，再经预处理装置去除液态物质进入吸附罐，有机溶剂被吸附剂捕集、
吸附并浓缩，净化的空气从吸附罐体上部排入大气。当活性炭吸附有机物达到饱
和状态后，停止VOCs进料，并利用高温蒸汽对吸附饱和的VOCs组分进行热脱
附，即所谓低温（28℃-35℃）吸附，高温（100℃-130℃）解吸。解吸后的水蒸
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