活性炭浸漬型袋式化學過濾器對硫化氫的淨化效果研究 一、引言 硫化氫（H₂S）是一種無色、具有強烈臭雞蛋氣味的有毒氣體，廣泛存在於石油煉製、天然氣開采、汙水處理、化工生產及垃圾填埋等工業過程中。...
活性炭浸漬型袋式化學過濾器對硫化氫的淨化效果研究
一、引言
硫化氫（H₂S）是一種無色、具有強烈臭雞蛋氣味的有毒氣體，廣泛存在於石油煉製、天然氣開采、汙水處理、化工生產及垃圾填埋等工業過程中。其毒性極強，空氣中濃度達到10 ppm即可引起嗅覺疲勞，50 ppm以上可導致呼吸道刺激，1000 ppm以上可在數分鍾內致人死亡。因此，對硫化氫的有效去除已成為環境保護與職業健康領域的重要課題。
在眾多除硫技術中，活性炭浸漬型袋式化學過濾器因其高效、穩定、運行成本低等優點，被廣泛應用於工業廢氣處理係統。該技術結合了物理吸附與化學反應的雙重機製，能夠實現對低濃度硫化氫的高效捕集與轉化。本文將係統闡述活性炭浸漬型袋式化學過濾器的工作原理、產品參數、淨化性能、影響因素及其在實際工程中的應用，並結合國內外權威文獻進行深入分析。
二、活性炭浸漬型袋式化學過濾器概述
2.1 基本結構與組成
活性炭浸漬型袋式化學過濾器是一種以多孔活性炭為載體，通過化學浸漬工藝負載特定活性組分（如氫氧化鉀、氧化銅、硫酸銅、碘化鉀等）的複合型吸附材料，封裝於透氣性良好的無紡布或聚酯纖維袋中，形成模塊化過濾單元。
其典型結構包括：
- 濾袋外殼：采用聚丙烯（PP）或聚酯（PET）無紡布，透氣性好，耐腐蝕；
- 活性填料層：由浸漬改性活性炭顆粒構成，粒徑通常為1.5–4 mm；
- 支撐骨架：部分產品內置金屬或塑料網架，防止濾料塌陷；
- 密封結構：確保氣流均勻通過，避免旁通。
2.2 工作原理
該過濾器對硫化氫的去除主要依賴以下兩種機製：
- 物理吸附：活性炭本身具有發達的微孔結構（比表麵積可達800–1200 m²/g），可通過範德華力吸附H₂S分子。
- 化學反應：浸漬的活性物質與H₂S發生不可逆化學反應，生成穩定的固態產物。例如：
- 與KOH反應：
[
H_2S + 2KOH → K_2S + 2H_2O
] - 與CuO反應：
[
H_2S + CuO → CuS + H_2O
]
- 與KOH反應：
化學反應顯著提高了吸附容量和選擇性，延長了使用壽命。
三、產品技術參數
下表列出了典型活性炭浸漬型袋式化學過濾器的主要技術參數：
| 參數名稱 | 典型值 | 說明 |
|---|---|---|
| 活性炭類型 | 煤質/椰殼活性炭 | 椰殼炭微孔更發達，吸附性能更優 |
| 浸漬成分 | KOH、CuO、ZnO、I₂等 | 不同成分適應不同工況 |
| 活性炭粒徑 | 1.5–4 mm | 影響壓降與接觸效率 |
| 比表麵積 | 800–1200 m²/g | BET法測定 |
| 堆積密度 | 450–550 kg/m³ | 影響單位體積處理能力 |
| 袋體材質 | 聚丙烯無紡布（PP） | 透氣性≥200 L/m²·s，耐濕耐腐 |
| 單袋尺寸（長×直徑） | 600×150 mm 或 800×200 mm | 可定製 |
| 單袋重量 | 3–8 kg | 視尺寸與填充密度而定 |
| 初始壓降 | <150 Pa @ 1.0 m/s | 保證係統能耗低 |
| 適用溫度範圍 | 5–40°C | 高溫降低化學反應效率 |
| 適用濕度範圍 | 40–80% RH | 過高濕度導致結塊，過低影響反應 |
| H₂S去除效率 | ≥99%（入口<50 ppm） | 實驗室條件下 |
| 穿透容量（H₂S） | 8–15%（wt） | 取決於浸漬配方與氣體條件 |
注：穿透容量指活性炭在出口濃度達到入口濃度10%時所吸附的H₂S質量占活性炭總質量的百分比。
四、淨化性能分析
4.1 去除效率與穿透曲線
去除效率是衡量過濾器性能的核心指標。研究表明，在標準測試條件下（25°C，60% RH，空床接觸時間EBCT=0.5 s），浸漬KOH的活性炭對50 ppm H₂S的初始去除率可達99.8%以上，且在運行前80%周期內保持穩定。
圖1為典型的穿透曲線（Breakthrough Curve），橫軸為時間或處理氣量，縱軸為出口濃度與入口濃度比值（C/C₀）。當C/C₀=0.1時定義為“穿透點”。
| 時間（h） | 出口H₂S濃度（ppm） | C/C₀ |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 50 | 2 | 0.04 |
| 100 | 5 | 0.10 |
| 150 | 15 | 0.30 |
| 200 | 35 | 0.70 |
| 240 | 48 | 0.96 |
數據來源：Zhang et al., 2021, Chemical Engineering Journal.
從表中可見，該過濾器在200小時內仍保持較高淨化效率，穿透時間較長，表明其具有良好的動態吸附能力。
4.2 不同浸漬劑的性能對比
不同浸漬成分對H₂S的反應機理與效率存在顯著差異。下表對比了常見浸漬劑的性能特征：
| 浸漬劑 | 反應方程式 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| KOH | H₂S + 2KOH → K₂S + 2H₂O | 反應速度快，成本低 | 易潮解，壽命受濕度影響大 | 低濕環境，常溫 |
| CuO | H₂S + CuO → CuS + H₂O | 選擇性高，穩定性好 | 成本較高，再生困難 | 高效除硫，長期運行 |
| ZnO | H₂S + ZnO → ZnS + H₂O | 無毒，環保 | 反應速率較慢 | 食品、醫藥行業 |
| I₂ | H₂S + I₂ → 2HI + S↓ | 可檢測硫生成 | 成本高，產生腐蝕性HI | 實驗室或特殊檢測用途 |
資料來源：Rosenholm, J.B. (2003). "Removal of H₂S from gas streams using impregnated activated carbon". Adsorption Science & Technology, 21(6), 523–538.
研究顯示，CuO浸漬炭在相對濕度60%、溫度30°C條件下對H₂S的穿透容量可達14.2 wt%，顯著高於未浸漬炭的2.1 wt%（Li et al., 2019）。
五、影響淨化效果的關鍵因素
5.1 氣體濃度與空床接觸時間（EBCT）
H₂S入口濃度直接影響穿透時間。高濃度氣體導致吸附前沿推進加快，縮短使用壽命。空床接觸時間（EBCT）是氣體通過濾料層的平均停留時間，計算公式為：
[
text{EBCT} = frac{V_{text{bed}}}{Q}
]
其中，(V_{text{bed}})為濾料體積（m³），(Q)為氣體流量（m³/min）。
實驗表明，EBCT從0.3 s增至0.8 s時，H₂S去除率從92%提升至99.5%（Wang et al., 2020）。
5.2 相對濕度
濕度對化學浸漬炭的影響呈雙麵性：
- 適度濕度（40–70% RH）：促進H₂S溶解，形成H₂S(aq)，有利於與KOH等堿性物質反應；
- 過高濕度（>80% RH）：導致活性炭孔道堵塞，浸漬劑流失，甚至引發微生物滋生。
Zhu et al. (2018) 在《Environmental Science & Technology》中指出，60% RH時KOH浸漬炭的H₂S吸附容量比幹燥條件下提高約35%。
5.3 溫度
溫度升高通常加快化學反應速率，但過高溫度（>50°C）會導致：
- 活性組分揮發或分解；
- 物理吸附能力下降；
- 水分蒸發，降低反應介質。
佳操作溫度通常為20–40°C。
5.4 共存氣體幹擾
實際廢氣中常含有SO₂、NH₃、VOCs等共存汙染物，可能競爭吸附位點或與浸漬劑反應。例如：
- SO₂可與KOH反應生成K₂SO₃，消耗堿性位點；
- NH₃與H₂S可能生成(NH₄)₂S，堵塞孔隙。
因此，在複雜氣體環境中需采用多級過濾或複合浸漬技術。
六、國內外研究進展與應用案例
6.1 國內研究現狀
中國在活性炭浸漬技術方麵發展迅速。清華大學環境學院開發了Cu-Zn複合浸漬活性炭，在某天然氣淨化廠中實現H₂S從30 ppm降至0.5 ppm以下，連續運行18個月未更換濾料（Liu et al., 2022）。
中石化青島安全工程研究院對多種市售浸漬炭進行對比測試，結果顯示：國產KOH-CuO雙浸漬炭在80% RH下對H₂S的動態吸附容量達12.8 wt%，接近進口產品水平（《工業安全與環保》，2021年第6期）。
6.2 國外先進技術
美國Calgon Carbon公司推出的“Carbon Block”係列浸漬炭濾袋，采用專利的KOH+CuO協同浸漬工藝，在汙水處理廠應用中實現H₂S去除率>99.9%，使用壽命達24個月（Calgon Carbon Technical Bulletin, 2020）。
德國Brenntag公司開發的“SulfaTreat®”產品，以ZnO為主要活性成分，專用於食品級氣體淨化，符合FDA標準，廣泛應用於啤酒廠和乳製品車間（Brenntag, 2019）。
日本三菱化學則推出高溫型浸漬炭，可在60°C下穩定運行，適用於熱排氣處理係統（Mitsubishi Chemical Report, 2021）。
七、工程應用與係統設計
7.1 典型應用場景
| 應用領域 | H₂S來源 | 處理要求 | 推薦濾料類型 |
|---|---|---|---|
| 汙水處理廠 | 厭氧消化池、泵站 | <1 ppm 排放 | KOH/CuO浸漬炭 |
| 石油煉廠 | 脫硫裝置尾氣 | ≤5 ppm | CuO/ZnO複合炭 |
| 垃圾填埋場 | 填埋氣 | 50–500 ppm | 高容量KOH基炭 |
| 地下停車場 | 車輛尾氣累積 | 消除異味 | 複合型多汙染物濾料 |
| 實驗室通風 | 化學實驗排放 | 高安全性 | I₂浸漬炭（可檢測） |
7.2 係統設計要點
- 風量匹配：根據廢氣流量選擇濾袋數量，確保EBCT≥0.5 s；
- 多級串聯：前級設預過濾（除塵、除濕），後級設高效浸漬炭層；
- 壓降監控：安裝壓差傳感器，當壓降>300 Pa時提示更換；
- 溫濕度控製：加裝預處理段調節氣體條件；
- 安全聯鎖：出口設H₂S在線監測儀，超標報警並聯動停機。
某市政汙水處理廠案例顯示，采用12組600×150 mm袋式過濾器（總填充量96 kg），處理風量5000 m³/h，H₂S入口平均45 ppm，出口穩定在0.3 ppm以下，年運行成本約12萬元，遠低於焚燒法或生物濾池。
八、壽命評估與更換策略
活性炭浸漬濾袋為一次性使用產品，不可再生。其壽命受以下因素綜合影響：
| 影響因素 | 壽命變化趨勢 | 說明 |
|---|---|---|
| H₂S濃度升高 | ↓ 縮短 | 線性關係，濃度翻倍，壽命減半 |
| 濕度適宜（60%） | ↑ 延長 | 促進反應 |
| 溫度>40°C | ↓ 縮短 | 加速失活 |
| 含塵量高 | ↓ 縮短 | 堵塞孔隙 |
| 連續運行 | ↓ 比間歇運行短 | 無恢複期 |
實際工程中，建議采用“時間+壓降+濃度”三重判斷標準：
- 運行時間超過廠家推薦值（通常6–24個月）；
- 係統壓降上升50%以上；
- 出口H₂S濃度連續3天超過1 ppm。
廢棄濾料屬於危險廢物（含硫化物），需按《國家危險廢物名錄》（HW49）進行專業處置，不可隨意傾倒。
九、經濟性與環保效益
以處理風量3000 m³/h、H₂S濃度30 ppm的係統為例，比較不同技術的年成本：
| 技術類型 | 設備投資（萬元） | 年運行成本（萬元） | 去除效率 | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| 活性炭浸漬袋式 | 15 | 8 | ≥99% | 更換周期12個月 |
| 生物濾池 | 30 | 12 | 90–95% | 需營養液與pH控製 |
| 化學洗滌塔（NaOH） | 20 | 18 | 98% | 產生廢液處理成本高 |
| 焚燒法 | 50 | 35 | >99.9% | 能耗高，CO₂排放大 |
數據表明，活性炭浸漬袋式過濾器在中低濃度H₂S治理中具有顯著的經濟優勢，且無二次汙染，符合綠色低碳發展方向。
參考文獻
- 百度百科. 活性炭 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/活性炭, 2023-10-15.
- Zhang, Y., Li, X., & Wang, H. (2021). Performance evalsuation of KOH-impregnated activated carbon for H₂S removal from air streams. Chemical Engineering Journal, 405, 126632.
- Li, J., Chen, G., & Liu, M. (2019). Enhanced H₂S adsorption on CuO-impregnated coconut shell activated carbon: Mechanism and kinetics. Journal of Hazardous Materials, 368, 456–465.
- Zhu, W., Yang, R., & Zhao, D. (2018). Effect of humidity on H₂S removal by impregnated activated carbon: A mechanistic study. Environmental Science & Technology, 52(15), 8765–8773.
- Rosenholm, J.B. (2003). Removal of H₂S from gas streams using impregnated activated carbon. Adsorption Science & Technology, 21(6), 523–538.
- Wang, L., Zhang, Q., & Sun, Y. (2020). Influence of empty bed contact time on the breakthrough behavior of H₂S in packed bed adsorbers. AIChE Journal, 66(4), e16987.
- Liu, Z., et al. (2022). Long-term performance of Cu-Zn bimetallic impregnated activated carbon in natural gas purification. Fuel Processing Technology, 225, 106987.
- Calgon Carbon Corporation. (2020). Carbon Block H₂S Removal Filters: Technical Data Sheet. Pittsburgh, PA.
- Brenntag GmbH. (2019). SulfaTreat® Product Guide for Odor Control. Essen, Germany.
- 三菱化學株式會社. (2021). 高溫用脫硫活性炭の開発と応用 [R]. Tokyo: Mitsubishi Chemical R&D Report.
- 《工業安全與環保》編輯部. (2021). 國產浸漬活性炭在H₂S治理中的性能測試. 工業安全與環保, 47(6), 45–48.
- 國家危險廢物名錄（2021年版）. 生態環境部、國家發展改革委、公安部聯合發布.
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