التحكم في انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة الصناعية: التقنيات والعمليات والتخفيف من الأثر البيئي

مقدمة

أصبحت المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) محور اهتمام بيئي كبير مع سعي الصناعات العالمية نحو إنتاج أنظف وأكثر استدامة. وتُعدّ هذه المركبات، الموجودة على نطاق واسع في معالجة المواد الكيميائية، وصناعة المعادن، والطلاء، والطباعة، والعديد من القطاعات الصناعية الأخرى، مصدراً للخطر الكبير على جودة الهواء، وصحة الإنسان، والاستقرار البيئي. ومع تشديد اللوائح البيئية عالمياً، يجب على الصناعات اعتماد نظم فعالة لمراقبة المركبات العضوية المتطايرة للحد من الانبعاثات وضمان الامتثال.

يقدّم هذا المقال نظرة شاملة ومتعمقة حول كيفية تولّد المركبات العضوية المتطايرة عبر الصناعات الرئيسية، ويستعرض التقنيات الأكثر فعالية في معالجتها. من معالجة الفحم الكيميائي إلى الطباعة والتغليف، فإن فهم هذه الآليات أمر ضروري لتصميم حلول تتميّز بالسلامة البيئية والجدوى الاقتصادية على حد سواء.

ما هي المركبات العضوية المتطايرة؟

المركبات العضوية المتطايرة هي فئة واسعة من المواد الكيميائية القائمة على الكربون ذات ضغط بخاري مرتفع عند درجة حرارة الغرفة، مما يسمح لها بالتبخر بسهولة إلى الهواء. وتشمل المركبات العضوية المتطايرة عادةً المواد التي تتراوح درجة غليانها عند الضغط الطبيعي بين 50°م و260°م أو تلك التي يكون ضغط بخارها المشبع أعلى من 133.32 باسكال في الظروف المحيطة.

الفئات الشائعة للمركبات العضوية المتطايرة

بناءً على البنية الكيميائية، تندرج المركبات العضوية المتطايرة ضمن ثماني مجموعات رئيسية:

• الألكانات

• الهيدروكربونات العطرية

• الألكينات

• الهيدروكربونات المهلجنة

• الإسترات

• ألدهيدات

• الكيتونات

• مركبات عضوية أخرى

أمثلة نموذجية على مركبات VOC

• الهيدروكربونات العطرية: البنزين، التولوين، الزايلين، الستيرين

• الهيدروكربونات السلسلية: البيوتان، مكونات البنزين

• الهيدروكربونات الهالوجينية: رباعي كلوريد الكربون، الكلوروفورم

• الكحولات والألدهيدات: الميثانول، الأسيتالديهايد، الأسيتون

• الإستر: أسيتات الإيثيل، أسيتات البوتيل

• أخرى: الأسيتونيترايل، الأكريلونيتريل، المركبات الكربونية المكلورة فلورية

تنشأ هذه المركبات من احتراق الوقود، والتفاعلات الكيميائية، وتبخر المذيبات، وعمليات صناعية متنوعة. ونظرًا لنشاطها العالي وسميتها، فإن المركبات العضوية المتطايرة تتطلب تحكمًا منهجيًا.

المصادر الصناعية الرئيسية لانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة

1. المركبات العضوية المتطايرة في صناعة الكيميائيات الفحمية

يُعد قطاع الكيميائيات من الفحم أحد أهم المساهمين الصناعيين في انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. تنشأ المركبات العضوية المتطايرة بشكل أساسي من عمليتين:

• تقطير الفحم

• تحويل الفحم إلى غاز صناعي

1.1 انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة أثناء تقطير الفحم

يشمل التكويك تسخين الفحم بدرجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى تطاير مركبات عضوية معقدة. وتحدث الانبعاثات بشكل رئيسي في مرحلتين:

أ. مرحلة تغذية الفحم

عندما يتم تحميل الفحم الخام في أفران الكوك ذات درجات الحرارة العالية، فإنه يتعرض لأسطح ساخنة ويطلق خليطًا من:

• الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات

• بخار القار

• الغازات العضوية

تساهم هذه الملوثات في المخاطر المهنية والتلوث البيئي.

ب. منطقة استرداد منتجات التكويك الثانوية

تشمل المناطق الرئيسية وحدة التكثيف، ووحدة إزالة الكبريت، ووحدة كبريتات الأمونيوم، ووحدة البنزين الخام. وتنتج كل منها ملفات ملوثات عضوية متطايرة مختلفة:

قسم التكثيف

• الانبعاثات: الأمونيا، كبريتيد الهيدروجين، النفتالين، مزيج من الملوثات العضوية المتطايرة

• المصادر: خزانات القار، خزانات ماء الأمونيا، خطوط الأنابيب، الختم المائي

• الخصائص: تركيز عالٍ، تقلبات كبيرة، غاز غني بالرطوبة

قسم إزالة الكبريت وكبريتات الأمونيوم

• الانبعاثات: غازات تحتوي على الكبريت، الأمونيا، كمية صغيرة من الملوثات العضوية المتطايرة

• انبعاثات مستمرة بتركيزات عالية من الأمونيا

قسم البنزين الخام

• الانبعاثات: البنزين، التولوين، الزايلين

• حجم الغاز صغير ولكن التركيز مرتفع جدًا

منطقة معالجة مياه الصرف الصحي

• الانبعاثات: البنزين، الفينولات، الكبريتيدات، المركبات العضوية النيتروجينية

• تأتي من خزانات التوازن، الخزانات الطارئة، الخزانات اللاهوائية، ومعالجة الحمأة

هذا المزيج يجعل المعالجة صعبة بسبب تركيبه المعقد.

1.2 المركبات العضوية المتطايرة في توليد غاز الفحم وإنتاج الغاز الطبيعي

تُنتج محطات إزالة غاز الفحم غازات ذيلية تحتوي على مركبات عضوية متطايرة أثناء:

• غسيل الميثانول عند درجات الحرارة المنخفضة

• خزانات تخزين الغاز/السائل (الفقد الناتج عن التنفس)

• معالجة مياه الصرف الصحي

• وحدات تخزين النفط

أ. غاز الذيل من غسيل الميثانول منخفض الحرارة

يشمل هذا التدفق:

• الميثان

• إيثيلين، إيثان

• بروبان، بروبيلين

• بخار الميثانول

من الصعب إعادة استخدامه وغالبًا ما يُعالَج بواسطة RTO (مُحْرِقة حرارية تكاثفية) للاحتراق الكامل.

لماذا RTO بدلاً من RCO؟

عوامل حفز RCO عرضة للتسمم بالكبريت ولها قدرة محدودة على التجدد، مما يجعل RTO أكثر متانة في التطبيقات الكيميائية الفحمية.

ب. فاقد التنفس من خزانات التخزين

تطلق خزانات تخزين الغاز/السائل أبخرة تحتوي على مركبات كبريتية، وأمونيا، ومذيبات عضوية متطايرة (VOCs) أثناء تغيرات درجة الحرارة والضغط. وتحتاج هذه الغازات أيضًا إلى الأكسدة الحرارية.

ج. المذيبات العضوية المتطايرة من معالجة مياه الصرف الصحي

تنشأ هذه الانبعاثات بشكل رئيسي من:

• المعالجة الأولية (فصل الزيت، التوزين، التحمض)

• خزانات التهوية

• غرف تجفيف الطمي

تتفاوت التركيزات بشكل كبير، ومحتوى الرطوبة مرتفع.