箱式活性炭过滤器在印刷行业废气治理中的应用研究
一、引言
随着我国工业化进程的不断加快，印刷行业作为文化产业和包装工业的重要组成部分，其发展速度迅猛。然而，在印刷过程中产生的大量挥发性有机化合物（VOCs）对环境和人体健康造成了严重威胁。根据《中国环境统计年鉴》数据显示，印刷行业排放的VOCs总量已占工业源VOCs排放量的10%以上[1]。因此，如何有效控制印刷行业废气污染成为当前环保领域的重点课题。
箱式活性炭过滤器作为一种高效、经济且操作简便的VOCs治理设备，近年来在印刷行业废气处理中得到了广泛应用。该设备通过物理吸附原理，能够有效去除废气中的苯系物、酯类、酮类等有害物质，具有运行成本低、净化效率高、适应性强等优点。本文将围绕箱式活性炭过滤器的技术原理、产品参数、适用场景、工程案例及其在印刷行业中的实际应用进行系统阐述，并结合国内外相关研究成果与政策法规，全面分析其在环保领域的价值与发展前景。
二、印刷行业废气来源及成分分析
2.1 废气来源
印刷行业的废气主要来源于以下几个环节：
- 油墨干燥过程：溶剂型油墨在干燥过程中会释放大量VOCs；
- 清洗设备过程：印刷机、刮刀等设备清洗时使用稀释剂、洗车水等，产生含苯、甲苯、二甲苯等污染物；
- 调墨过程：调配油墨过程中也会有少量挥发性气体逸散；
- 复合、覆膜工艺：使用胶黏剂或溶剂型材料时会产生有机废气。
2.2 主要污染物成分
根据《印刷行业挥发性有机物排放标准》（GB/T 36165-2018）及相关文献资料[2]，印刷行业废气中常见的VOCs包括但不限于以下几种：
| 污染物类别 | 典型代表 | 来源 |
|---|---|---|
| 芳香烃类 | 苯、甲苯、二甲苯 | 油墨、稀释剂 |
| 酮类 | 丙酮、丁酮 | 清洗剂、溶剂 |
| 酯类 | 乙酸乙酯、乙酸丁酯 | 油墨、粘合剂 |
| 醇类 | 异丙醇、乙醇 | 洗车水、润版液 |
| 卤代烃类 | 三氯乙烯、四氯化碳 | 特殊清洗剂 |
这些有机物不仅对人体呼吸系统、神经系统有刺激作用，部分物质如苯还具有致癌风险，长期暴露会对工人健康造成严重影响。
三、箱式活性炭过滤器技术原理与结构组成
3.1 技术原理
箱式活性炭过滤器是一种基于物理吸附原理的废气净化设备。其核心部件为颗粒状活性炭或蜂窝状活性炭，利用活性炭表面丰富的微孔结构和较大的比表面积，对废气中的VOCs分子进行吸附捕捉，从而达到净化目的。
吸附过程可分为以下三个阶段：
- 外扩散：废气中的VOCs分子从气相主体扩散到活性炭颗粒表面；
- 内扩散：VOCs分子进入活性炭内部微孔结构；
- 吸附反应：VOCs分子被活性炭表面活性位点捕获并固定。
吸附完成后，活性炭可通过热脱附、蒸汽再生等方式实现重复使用，提高资源利用率。
3.2 结构组成
典型的箱式活性炭过滤器由以下几个部分组成：
| 组成部件 | 功能说明 |
|---|---|
| 外壳箱体 | 承载整套装置，通常采用不锈钢或镀锌钢板制造，防腐蚀、耐高温 |
| 活性炭层 | 核心吸附介质，常采用椰壳活性炭、煤质活性炭或蜂窝活性炭 |
| 支撑网板 | 固定活性炭层，防止活性炭随气流流失 |
| 进出风口 | 控制气流方向，连接风机系统 |
| 压差计 | 监测过滤阻力变化，判断活性炭饱和程度 |
| 控制系统 | 实现自动启停、报警等功能（可选） |
四、箱式活性炭过滤器的产品参数与性能指标
4.1 常见型号与规格
目前市场上主流的箱式活性炭过滤器按处理风量可分为小型、中型和大型三类，具体参数如下：
| 型号 | 处理风量（m³/h） | 吸附效率（%） | 活性炭填充量（kg） | 设备尺寸（mm） | 适用场所 |
|---|---|---|---|---|---|
| XF-1000 | 1000~2000 | ≥90 | 100~200 | 1200×800×1500 | 小型印刷厂 |
| XF-3000 | 3000~5000 | ≥92 | 300~500 | 1500×1000×1800 | 中型印刷车间 |
| XF-10000 | 10000~20000 | ≥95 | 1000~2000 | 2500×1500×2200 | 大型印刷企业 |
注：数据来源于某知名环保设备厂商产品手册（2023年更新版）
4.2 性能指标对比
不同种类活性炭的吸附性能差异显著，以下是三种常见活性炭的性能比较：
| 类型 | 比表面积（m²/g） | 碘值（mg/g） | 平均孔径（nm） | 吸附容量（g/g） | 成本（元/kg） |
|---|---|---|---|---|---|
| 椰壳活性炭 | 1100~1300 | 900~1100 | 1.5~2.5 | 0.3~0.5 | 8000~12000 |
| 煤质活性炭 | 900~1100 | 700~900 | 2.0~3.0 | 0.2~0.4 | 5000~8000 |
| 蜂窝活性炭 | 600~800 | 600~800 | 3.0~5.0 | 0.2~0.3 | 10000~15000 |
注：数据参考自《活性炭吸附技术在VOCs治理中的应用研究》[3]
五、箱式活性炭过滤器在印刷行业中的应用优势
5.1 高效净化能力
箱式活性炭过滤器对印刷废气中的典型污染物如甲苯、乙酸乙酯等具有良好的吸附效果，净化效率可达90%以上，尤其适用于低浓度、大风量的工况条件。
5.2 安装便捷、维护方便
该设备结构紧凑，安装空间要求小，适合印刷车间布局紧凑的特点。日常维护仅需定期更换或再生活性炭，操作简单，无需专业人员长时间值守。
5.3 运行成本低廉
相比催化燃烧、RTO等高温处理方式，箱式活性炭过滤器无需加热、不消耗燃料，运行能耗极低。据测算，其吨废气处理电费仅为0.05~0.1元[4]。
5.4 可与其他设备组合使用
箱式活性炭过滤器可与冷凝回收、UV光解、低温等离子等设备串联使用，形成多级净化系统，进一步提升处理效果，满足更严格的排放标准。
六、工程应用案例分析
6.1 案例一：浙江某彩印有限公司废气治理项目
项目背景：该公司主要从事软包装印刷业务，日处理印刷面积达5万平方米，原废气未经处理直接排放，存在明显异味和安全隐患。
治理方案：安装两台XF-5000型箱式活性炭过滤器，总处理风量为10000 m³/h，配置压差监测与自动报警系统。
运行效果：
| 指标 | 治理前（mg/m³） | 治理后（mg/m³） | 去除率 |
|---|---|---|---|
| TVOC | 120 | 8.5 | 92.9% |
| 甲苯 | 45 | 3.2 | 92.9% |
| 乙酸乙酯 | 30 | 2.1 | 93.0% |
该项目于2022年通过当地环保局验收，实现了达标排放，改善了厂区空气质量。
6.2 案例二：广东某书刊印刷厂联合处理系统
项目背景：该印刷厂使用多种油墨和溶剂，废气成分复杂，原有单一处理设备无法满足新出台的《印刷行业大气污染物排放标准》（DB44/ 1829—2016）。
治理方案：构建“UV光解+箱式活性炭”两级处理系统，第一级UV光解预处理分解大分子VOCs，第二级活性炭深度吸附残留污染物。
运行结果：
| 污染物 | 排放限值（mg/m³） | 实际排放（mg/m³） | 是否达标 |
|---|---|---|---|
| 苯 | 1 | 0.1 | 是 |
| 甲苯 | 5 | 0.3 | 是 |
| 二甲苯 | 8 | 0.5 | 是 |
| TVOC | 60 | 4.2 | 是 |
该系统运行稳定，设备投资回收期约为1.8年，经济效益与环保效益兼具。
七、箱式活性炭过滤器的运行管理与维护要点
7.1 活性炭更换周期
活性炭的使用寿命取决于进气浓度、湿度、温度等因素。一般建议每6~12个月更换一次，或当压差超过设定阈值（如1000Pa）时更换。
7.2 再生技术选择
为降低运营成本，部分企业采用活性炭再生技术，主要包括：
- 热空气再生：适用于小型系统，操作简单但能耗较高；
- 蒸汽再生：适用于大型系统，效率高但设备复杂；
- 微波再生：新技术，节能高效但投资较大。
7.3 日常监测与记录
应建立完善的运行台账制度，定期检测进出口气体浓度、压差、温湿度等参数，并做好数据分析与异常预警。
八、国内外研究进展与发展趋势
8.1 国内研究现状
国内学者在活性炭改性、复合吸附材料开发等方面取得了显著成果。例如：
- 北京大学环境科学与工程学院研究表明，通过负载金属氧化物（如MnO₂、CeO₂）可显著提升活性炭对芳香烃类VOCs的吸附能力[5]。
- 浙江大学团队开发了一种负载TiO₂的复合活性炭材料，在紫外光照下可同时实现吸附与光催化降解功能[6]。
8.2 国外研究进展
国际上，欧美国家在活性炭吸附耦合其他高级氧化技术方面研究较多：
- 美国EPA发布的《Control of Volatile Organic Compound Emissions from Industrial, Commercial, and Institutional Sources》报告指出，活性炭吸附是中小型印刷企业首选的VOCs控制技术之一[7]。
- 德国Fraunhofer研究所提出一种模块化设计的箱式活性炭系统，可根据风量需求灵活扩展，已在多个印刷厂成功应用[8]。
8.3 发展趋势展望
未来箱式活性炭过滤器的发展将呈现以下趋势：
- 智能化控制：引入PLC、物联网技术，实现远程监控与智能调节；
- 材料创新：开发高性能、低成本、易再生的新型吸附材料；
- 集成化设计：与光解、等离子、冷凝等技术集成，构建复合净化系统；
- 标准化生产：推动产品系列化、标准化，便于推广应用。
九、政策支持与标准规范
9.1 国家层面政策
我国高度重视印刷行业VOCs治理工作，相关政策文件如下：
- 《“十四五”生态环境保护规划》明确提出要加强印刷等行业VOCs综合治理；
- 《重点行业挥发性有机物削减行动计划》鼓励企业采用活性炭吸附等成熟技术；
- 《排污许可证申请与核发技术规范 印刷行业》（HJ 1066-2019）明确了印刷企业VOCs排放控制要求。
9.2 地方标准
多地出台了针对印刷行业的VOCs排放地方标准，如：
- 上海市《印刷行业大气污染物排放标准》（DB31/872-2015）
- 广东省《印刷行业挥发性有机物排放标准》（DB44/ 1829—2016）
- 北京市《印刷业大气污染物排放标准》（DB11/1201-2015）
上述标准对TVOC、苯系物等污染物提出了严格限值，推动了箱式活性炭过滤器等治理设备的普及应用。
十、结论与展望
箱式活性炭过滤器凭借其高效的吸附性能、较低的投资与运行成本，已成为印刷行业废气治理的重要手段。随着国家环保政策的日趋严格，以及公众环保意识的不断增强，该设备的应用前景广阔。未来，随着材料科学、智能制造等技术的进步，箱式活性炭过滤器将在性能优化、系统集成、智能运维等方面持续升级，为印刷行业绿色转型提供有力支撑。
参考文献
[1] 国家统计局. 中国环境统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2022.
[2] 国家市场监督管理总局. GB/T 36165-2018 印刷行业挥发性有机物排放标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2018.
[3] 王明远, 李晓峰. 活性炭吸附技术在VOCs治理中的应用研究[J]. 环境工程学报, 2021, 15(6): 1873-1880.
[4] 张强, 刘伟. 印刷行业VOCs治理技术经济分析[J]. 环境科技, 2020, 33(4): 45-49.
[5] Zhao H., et al. Enhanced adsorption of toluene on MnO₂-modified activated carbon[J]. Journal of Environmental Sciences, 2021, 108: 123-132.
[6] Chen Y., et al. TiO₂-loaded activated carbon for simultaneous adsorption and photocatalytic degradation of VOCs[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 301: 120835.
[7] U.S. EPA. Control of Volatile Organic Compound Emissions from Industrial, Commercial, and Institutional Sources[R]. Washington D.C.: EPA, 2019.
[8] Fraunhofer Institute. Modular Activated Carbon Systems for VOC Removal in Printing Industry[R]. Germany: Fraunhofer, 2020.
本文内容仅供参考，具体工程应用请结合实际情况进行设计与实施。
