活性炭浸渍型袋式化学过滤器对硫化氢的净化效果研究
一、引言
硫化氢（H₂S）是一种无色、具有强烈臭鸡蛋气味的有毒气体，广泛存在于石油炼制、天然气开采、污水处理、化工生产及垃圾填埋等工业过程中。其毒性极强，空气中浓度达到10 ppm即可引起嗅觉疲劳，50 ppm以上可导致呼吸道刺激，1000 ppm以上可在数分钟内致人死亡。因此，对硫化氢的有效去除已成为环境保护与职业健康领域的重要课题。
在众多除硫技术中，活性炭浸渍型袋式化学过滤器因其高效、稳定、运行成本低等优点，被广泛应用于工业废气处理系统。该技术结合了物理吸附与化学反应的双重机制，能够实现对低浓度硫化氢的高效捕集与转化。本文将系统阐述活性炭浸渍型袋式化学过滤器的工作原理、产品参数、净化性能、影响因素及其在实际工程中的应用，并结合国内外权威文献进行深入分析。
二、活性炭浸渍型袋式化学过滤器概述
2.1 基本结构与组成
活性炭浸渍型袋式化学过滤器是一种以多孔活性炭为载体，通过化学浸渍工艺负载特定活性组分（如氢氧化钾、氧化铜、硫酸铜、碘化钾等）的复合型吸附材料，封装于透气性良好的无纺布或聚酯纤维袋中，形成模块化过滤单元。
其典型结构包括：
- 滤袋外壳：采用聚丙烯（PP）或聚酯（PET）无纺布，透气性好，耐腐蚀；
- 活性填料层：由浸渍改性活性炭颗粒构成，粒径通常为1.5–4 mm；
- 支撑骨架：部分产品内置金属或塑料网架，防止滤料塌陷；
- 密封结构：确保气流均匀通过，避免旁通。
2.2 工作原理
该过滤器对硫化氢的去除主要依赖以下两种机制：
- 物理吸附：活性炭本身具有发达的微孔结构（比表面积可达800–1200 m²/g），可通过范德华力吸附H₂S分子。
- 化学反应：浸渍的活性物质与H₂S发生不可逆化学反应，生成稳定的固态产物。例如：
- 与KOH反应：
[
H_2S + 2KOH → K_2S + 2H_2O
] - 与CuO反应：
[
H_2S + CuO → CuS + H_2O
]
- 与KOH反应：
化学反应显著提高了吸附容量和选择性，延长了使用寿命。
三、产品技术参数
下表列出了典型活性炭浸渍型袋式化学过滤器的主要技术参数：
| 参数名称 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 活性炭类型 | 煤质/椰壳活性炭 | 椰壳炭微孔更发达，吸附性能更优 |
| 浸渍成分 | KOH、CuO、ZnO、I₂等 | 不同成分适应不同工况 |
| 活性炭粒径 | 1.5–4 mm | 影响压降与接触效率 |
| 比表面积 | 800–1200 m²/g | BET法测定 |
| 堆积密度 | 450–550 kg/m³ | 影响单位体积处理能力 |
| 袋体材质 | 聚丙烯无纺布（PP） | 透气性≥200 L/m²·s，耐湿耐腐 |
| 单袋尺寸（长×直径） | 600×150 mm 或 800×200 mm | 可定制 |
| 单袋重量 | 3–8 kg | 视尺寸与填充密度而定 |
| 初始压降 | <150 Pa @ 1.0 m/s | 保证系统能耗低 |
| 适用温度范围 | 5–40°C | 高温降低化学反应效率 |
| 适用湿度范围 | 40–80% RH | 过高湿度导致结块，过低影响反应 |
| H₂S去除效率 | ≥99%（入口<50 ppm） | 实验室条件下 |
| 穿透容量（H₂S） | 8–15%（wt） | 取决于浸渍配方与气体条件 |
注：穿透容量指活性炭在出口浓度达到入口浓度10%时所吸附的H₂S质量占活性炭总质量的百分比。
四、净化性能分析
4.1 去除效率与穿透曲线
去除效率是衡量过滤器性能的核心指标。研究表明，在标准测试条件下（25°C，60% RH，空床接触时间EBCT=0.5 s），浸渍KOH的活性炭对50 ppm H₂S的初始去除率可达99.8%以上，且在运行前80%周期内保持稳定。
图1为典型的穿透曲线（Breakthrough Curve），横轴为时间或处理气量，纵轴为出口浓度与入口浓度比值（C/C₀）。当C/C₀=0.1时定义为“穿透点”。
| 时间（h） | 出口H₂S浓度（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 |
数据来源：Zhang et al., 2021, Chemical Engineering Journal.
从表中可见，该过滤器在200小时内仍保持较高净化效率，穿透时间较长，表明其具有良好的动态吸附能力。
4.2 不同浸渍剂的性能对比
不同浸渍成分对H₂S的反应机理与效率存在显著差异。下表对比了常见浸渍剂的性能特征：
| 浸渍剂 | 反应方程式 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| KOH | H₂S + 2KOH → K₂S + 2H₂O | 反应速度快，成本低 | 易潮解，寿命受湿度影响大 | 低湿环境，常温 |
| CuO | H₂S + CuO → CuS + H₂O | 选择性高，稳定性好 | 成本较高，再生困难 | 高效除硫，长期运行 |
| ZnO | H₂S + ZnO → ZnS + H₂O | 无毒，环保 | 反应速率较慢 | 食品、医药行业 |
| I₂ | H₂S + I₂ → 2HI + S↓ | 可检测硫生成 | 成本高，产生腐蚀性HI | 实验室或特殊检测用途 |
资料来源：Rosenholm, J.B. (2003). "Removal of H₂S from gas streams using impregnated activated carbon". Adsorption Science & Technology, 21(6), 523–538.
研究显示，CuO浸渍炭在相对湿度60%、温度30°C条件下对H₂S的穿透容量可达14.2 wt%，显著高于未浸渍炭的2.1 wt%（Li et al., 2019）。
五、影响净化效果的关键因素
5.1 气体浓度与空床接触时间（EBCT）
H₂S入口浓度直接影响穿透时间。高浓度气体导致吸附前沿推进加快，缩短使用寿命。空床接触时间（EBCT）是气体通过滤料层的平均停留时间，计算公式为：
[
text{EBCT} = frac{V_{text{bed}}}{Q}
]
其中，(V_{text{bed}})为滤料体积（m³），(Q)为气体流量（m³/min）。
实验表明，EBCT从0.3 s增至0.8 s时，H₂S去除率从92%提升至99.5%（Wang et al., 2020）。
5.2 相对湿度
湿度对化学浸渍炭的影响呈双面性：
- 适度湿度（40–70% RH）：促进H₂S溶解，形成H₂S(aq)，有利于与KOH等碱性物质反应；
- 过高湿度（>80% RH）：导致活性炭孔道堵塞，浸渍剂流失，甚至引发微生物滋生。
Zhu et al. (2018) 在《Environmental Science & Technology》中指出，60% RH时KOH浸渍炭的H₂S吸附容量比干燥条件下提高约35%。
5.3 温度
温度升高通常加快化学反应速率，但过高温度（>50°C）会导致：
- 活性组分挥发或分解；
- 物理吸附能力下降；
- 水分蒸发，降低反应介质。
最佳操作温度通常为20–40°C。
5.4 共存气体干扰
实际废气中常含有SO₂、NH₃、VOCs等共存污染物，可能竞争吸附位点或与浸渍剂反应。例如：
- SO₂可与KOH反应生成K₂SO₃，消耗碱性位点；
- NH₃与H₂S可能生成(NH₄)₂S，堵塞孔隙。
因此，在复杂气体环境中需采用多级过滤或复合浸渍技术。
六、国内外研究进展与应用案例
6.1 国内研究现状
中国在活性炭浸渍技术方面发展迅速。清华大学环境学院开发了Cu-Zn复合浸渍活性炭，在某天然气净化厂中实现H₂S从30 ppm降至0.5 ppm以下，连续运行18个月未更换滤料（Liu et al., 2022）。
中石化青岛安全工程研究院对多种市售浸渍炭进行对比测试，结果显示：国产KOH-CuO双浸渍炭在80% RH下对H₂S的动态吸附容量达12.8 wt%，接近进口产品水平（《工业安全与环保》，2021年第6期）。
6.2 国外先进技术
美国Calgon Carbon公司推出的“Carbon Block”系列浸渍炭滤袋，采用专利的KOH+CuO协同浸渍工艺，在污水处理厂应用中实现H₂S去除率>99.9%，使用寿命达24个月（Calgon Carbon Technical Bulletin, 2020）。
德国Brenntag公司开发的“SulfaTreat®”产品，以ZnO为主要活性成分，专用于食品级气体净化，符合FDA标准，广泛应用于啤酒厂和乳制品车间（Brenntag, 2019）。
日本三菱化学则推出高温型浸渍炭，可在60°C下稳定运行，适用于热排气处理系统（Mitsubishi Chemical Report, 2021）。
七、工程应用与系统设计
7.1 典型应用场景
| 应用领域 | H₂S来源 | 处理要求 | 推荐滤料类型 |
|---|---|---|---|
| 污水处理厂 | 厌氧消化池、泵站 | <1 ppm 排放 | KOH/CuO浸渍炭 |
| 石油炼厂 | 脱硫装置尾气 | ≤5 ppm | CuO/ZnO复合炭 |
| 垃圾填埋场 | 填埋气 | 50–500 ppm | 高容量KOH基炭 |
| 地下停车场 | 车辆尾气累积 | 消除异味 | 复合型多污染物滤料 |
| 实验室通风 | 化学实验排放 | 高安全性 | I₂浸渍炭（可检测） |
7.2 系统设计要点
- 风量匹配：根据废气流量选择滤袋数量，确保EBCT≥0.5 s；
- 多级串联：前级设预过滤（除尘、除湿），后级设高效浸渍炭层；
- 压降监控：安装压差传感器，当压降>300 Pa时提示更换；
- 温湿度控制：加装预处理段调节气体条件；
- 安全联锁：出口设H₂S在线监测仪，超标报警并联动停机。
某市政污水处理厂案例显示，采用12组600×150 mm袋式过滤器（总填充量96 kg），处理风量5000 m³/h，H₂S入口平均45 ppm，出口稳定在0.3 ppm以下，年运行成本约12万元，远低于焚烧法或生物滤池。
八、寿命评估与更换策略
活性炭浸渍滤袋为一次性使用产品，不可再生。其寿命受以下因素综合影响：
| 影响因素 | 寿命变化趋势 | 说明 |
|---|---|---|
| H₂S浓度升高 | ↓ 缩短 | 线性关系，浓度翻倍，寿命减半 |
| 湿度适宜（60%） | ↑ 延长 | 促进反应 |
| 温度>40°C | ↓ 缩短 | 加速失活 |
| 含尘量高 | ↓ 缩短 | 堵塞孔隙 |
| 连续运行 | ↓ 比间歇运行短 | 无恢复期 |
实际工程中，建议采用“时间+压降+浓度”三重判断标准：
- 运行时间超过厂家推荐值（通常6–24个月）；
- 系统压降上升50%以上；
- 出口H₂S浓度连续3天超过1 ppm。
废弃滤料属于危险废物（含硫化物），需按《国家危险废物名录》（HW49）进行专业处置，不可随意倾倒。
九、经济性与环保效益
以处理风量3000 m³/h、H₂S浓度30 ppm的系统为例，比较不同技术的年成本：
| 技术类型 | 设备投资（万元） | 年运行成本（万元） | 去除效率 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 活性炭浸渍袋式 | 15 | 8 | ≥99% | 更换周期12个月 |
| 生物滤池 | 30 | 12 | 90–95% | 需营养液与pH控制 |
| 化学洗涤塔（NaOH） | 20 | 18 | 98% | 产生废液处理成本高 |
| 焚烧法 | 50 | 35 | >99.9% | 能耗高，CO₂排放大 |
数据表明，活性炭浸渍袋式过滤器在中低浓度H₂S治理中具有显著的经济优势，且无二次污染，符合绿色低碳发展方向。
参考文献
- 百度百科. 活性炭 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/活性炭, 2023-10-15.
- Zhang, Y., Li, X., & Wang, H. (2021). Performance evaluation 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.
- 三菱化学株式会社. (2021). 高温用脱硫活性炭の開発と応用 [R]. Tokyo: Mitsubishi Chemical R&D Report.
- 《工业安全与环保》编辑部. (2021). 国产浸渍活性炭在H₂S治理中的性能测试. 工业安全与环保, 47(6), 45–48.
- 国家危险废物名录（2021年版）. 生态环境部、国家发展改革委、公安部联合发布.
