一、异味 
　　环保署在民国96年8月28日将传统的臭味法规定义为「异味」，系指足以引起厌恶或其他不良情绪反应气味之污染物。因为人类的感官差异，同样的异味不一定会让所有人都会感到不悦，但不可否认多数的陈情案件中仍以具臭味的异味为主。根据统计，异味是最常被民众陈情的空气污染事件，可谓工厂最敏感的环保问题亦不为过。
活性碳吸附的初设成本低、基本操作简单、适用性异味广，是工厂改善异味问题的有效技术之一；唯高效率操作时，操作成本可能偏高。本文避免专业且繁杂的理论，尽量以浅显易懂的例子说明工厂在活性碳吸附床操作时的注意事项，以期改善工厂及周遭民众的异味困扰。

二、活性碳吸附基本知识 
　　接下来本文介绍一些活性碳吸附的基本知识，这些内容将有助于了解如何评估「换碳时间」。
2-1.吸附是放热反应
　　吸附是一种放热反应，温度越高吸附效果就越差；因此实务上，降低吸附床的温度是很有效的工程手段。
例如有些厂商基于空间因素，将活性碳吸附床安装在屋顶；但夏日白天日晒时，反应器的表面温度可能高达50~60℃，远超过活性碳床的建议操作温度上限40℃，不但吸附效率不佳，尤有什者还可能发生脱附，导致出口浓度反而高于入口浓度。
2-2.饱和吸附量与等温吸附平衡曲线
　　图1为一典型的吸附平衡图，其揭露饱和吸附量与浓度之关系。「饱和吸附量」定义为：定温定压下，单位活性碳吸附特定物质的最大量。「浓度」指的是废气中污染物的浓度。
由图1可知，在特定温度下，饱和吸附量与污染物浓度成正比，污染物浓度越低，饱和吸附量也越低；随着污染物浓度越高，饱和吸附量也随之增加，最后趋于一定值（最大值）。

图1 ︰典型的等温饱和吸附曲线

　　若厂商可以提供完整的吸附曲线，设计时就可以根据工厂的实际浓度，较正确地估计换碳时间。但一般情况是，厂商常只提供一个值（通常为最大值），且未告知其适用条件（如温度与浓度）。一旦以高估的饱和吸附量估算换碳时间，而实际废气浓度又偏低的情况下（一般异味常如此），换碳时间的差异自然相当可观。
2-3.吸附贯穿曲线
　　典型的吸附贯穿曲线如图2所示，以下略作说明。当污染物流经活性碳固定床时，假若污染物以固定浓度(C ₀ )流入吸附床中，污染物浓度由进口浓度逐渐递减至0 (时间t ₁ )，此区域称之为「吸附区」 。当气体持续流入时，最下端的区域达到吸附饱和，吸附区逐渐往上移动(时间t ₂ )，这些吸附饱和的区域称为「饱和区」。当吸附区移动至出口处时，出口处开始侦测到污染物浓度，当出口处污染物浓度达到进口浓度的5%时（1~20%都有人用，但5%较被公认），这个时间(t ₃ )被定义为贯穿时间，也是学理上的换碳时间。最后当出口浓度等于入口浓度时，活性碳床完全饱和(时间t ₄ )。
　　由图可以发现，出口浓度与时间呈现S形曲线的关系，称为贯穿曲线。贯穿曲线虽然多呈S型，但有陡峭与平坦之分，有时甚至出现歪曲与高低起伏。贯穿曲线与贯穿时间是设计吸附设备与其操作的有效依据，一般而言，欲延长贯穿时间，可以增高吸附床高度、降低操作温度、减少气体流率、降低污染物浓度、及缩小吸附剂粒径。

 
图2 ︰典型活性碳贯穿曲线及吸附特性

　　为了让读者更了解理论与实务的差异，以下举一个实厂结果来说明，图3的数据来自国内某一电子厂的实测结果，污染物为异丙醇(IPA)及丙酮(Acetone)。如果以出口浓度/进口浓度=5%为贯穿时间，则大约一天就必须换碳；如果以10%计算约1~3天；以20%估算约2~4天换碳；这些结果与一般中小型工厂的设计值1个月相差甚远。
　　上述结果，若是从挥发性有机物(VOC)的控制来看，设计去除率一般大于90%，部分法规也要求至少要大于90%，如此大约只能撑1天，换碳频率太高，除非现场再生，否则操作成本太高；既使有现场再生装备，频率过高会降低活性碳的使用寿命，也是必须考虑的因素。

图3：实场小型模厂活性碳吸附塔之贯穿试验结果
（IPA=异丙醇、Acetone=丙酮。空心与实心符号为两次测试的结果。）
（图中数据来源[1]。绘图：本文作者。）

2-4.湿气的影响
　　活性碳不仅会吸附污染物，也会吸附空气中的水气分子，当水分在活性碳表面凝结，将使吸附效果下降。台湾地区天候潮湿，相对湿度60%~90%很常见，但水气的真实浓度随温度与相对湿度成正比。例如：相同温度下，相对湿度越高，水气浓度就越高；另外，相同相对湿度下，大气温度越高，水气浓度也越高。以25℃为例，大气饱和浓度约2%，若相对湿度80%，则大气中水气浓度等于1.6%，相当于16,000 ppm，这个浓度远高于污染物浓度，特别对于低浓度异味而言，差异更大。一旦污染物与水气发生竞争吸附，其影响更难预期。
图4为湿气对活性碳影响之某案例，此例子的污染物为三氯乙烯C ₂ HCl ₃，以颗粒活性碳在25℃下进行的结果。如前所述，当污染物浓度越高，吸附量越大。特别值得注意的是，当相对湿度超过60%以后对低浓度污染物的影响加剧。

图4：相对湿度对吸附量之影响
（条件：25℃、VOC为三氯乙烯C ₂ HCl ₃、颗粒活性碳）
（图中数据来源[2]。绘图：本文作者。）

2-5.理论吸附量与实际吸附量差异
　　图5显示几个主要影响活性碳吸附的因子，及其对活性碳吸附量的影响。其中，典型的活性碳吸附量约比活性碳重量少一个数量级，简单来说，1克活性碳的饱和吸附量约为零点几克，当然这通常是在高污染物浓度下得到的结果。
　　图5右图中，X轴为单位活性碳的吸附量；Y轴为床高，床高可换算成活性碳重量，因此图上的面积即代表活性碳床所能吸附的污染物总重量。

• 面积A：代表理论饱和吸附量。

• 面积B：吸附贯穿时，活性碳床最上层的吸附带只有部分吸附，因此一定有部分活性碳无法被完全使用。

• 面积C：吸附为放热反应，温度越高吸附量就下降；此区属于吸附反应放热所导致的损失。

• 面积D：废气中很难完全干燥，此区代表废气水分造成的吸附量下降。

• 面积E：若活性碳有经再生或现场再生，一般再生过程使用水蒸气将吸附的污染物脱附，以利再次使用。但再生过程在>100oC下进行，之后的冷却必须经过空气干燥，但若处理程序有瑕疵或厂商便宜行事，常会在活性碳的微孔洞中残留下冷凝水，导致吸附量的下降。

　　因此实际上，一个活性碳吸附床的吸附量，可能低于50%，这还未考虑活性碳老化的问题。

图5：影响活性碳床吸附量的因子
（说明：A-理论饱和吸附量；B-吸附区损失；C-吸附反应热损失；D-废气水分损失；E-活性碳再生后残留水分的损失。）
（参考文献[2]。绘图：本文作者。）

三、活性碳吸附床之简易设计 
　　以下介绍两种简单的固定床活性碳吸附塔的设计方法（3-1节与3-2节），接着说明这两种理论设计的困难（3-3节），最后由实务面分析上述计算可能的偏差（3-4节）。
3-1.第一种估算方法
　　当工厂的废气流量与污染物已知时，可以透过本方法进行估算。必知的参数包括：

• 废气流量Q [m ³ /h]
• 污染物种类及其分子量MW [kg/kmol]
• 污染物浓度C [ppm]
• 活性碳吸附量X [g-VOC/g-AC]
• 活性碳填充密度D [kg/m ³ ]

　　有很多种推估方法，常见的是先假设一个适当的换碳时间 t _B [day]。接着就可以开始进行估算，求取吸附塔体积，计算说明如下：

　　　污染物的质量浓度C _m [kg/m ³ ] = C * 10 ^-6 * MW / 24.5 [kg/m ³ ] 
单位换算如下：
C _m [kg/m ³ ] ≡ C [ppm] 
= C * 10 ^-6 [m ³污染物/ m ³废气] 
= C * 10 ^-6 [m ³污染物/ m ³废气] / 24.5 [m ³污染物/kmol污染物] 
= C * 10 ^-6 / 24.5 [kmol污染物/废气m ³ ] 
= C * 10 ^-6 / 24.5 [kmol污染物/废气m ³] * MW [kg污染物/ kmol污染物] 
= C * 10 ^-6 * MW / 24.5 [kg污染物/ m ³废气] 
= C * 10 ^-6 * MW / 24.5 [kg/m ³ ]

污染物的质量流率Q _m [kg/hr] = Q * C _m [kg/h] 
单位换算如下：
Q _AC [kg/m ³ ] ≡ Q [m ³ /h] 
= Q [m ³ /h ] * Cm [kg/m ³ ] 
= Q * C _m [kg/h]

换碳前吸附的污染物的总质量M [kg] = 24 * Q _m * t _B [kg] 
推导如下：
M [kg] 
= Q _m [kg/hr] *换碳时间tB [day] * 24 [hr/day] 
= 24 * Q _m * t _B [kg] 

所需之活性碳重量M _AC [kg] = M * X [kg] 
推导如下：
M _AC [kg] 
= M [kg] * X [ kg污染物/kg-AC] 
= M * X [kg]

所需之活性碳体积V [m3] = M _AC / D [m ³ ] 
推导如下：
V [m ³ ] 
= M _AC [kg] / D [kg-AC/m ³ -AC] 
= M _AC / D [m ³ ]

　　一般安全起见，所需之活性碳体积V会再乘以一个安全系数(1.2~2.0不等)，使用较多活性碳以策设计安全。至此活性碳固定床的设计已初步完成。
工厂或读者对成本估算有兴趣，可参加环保署环训所举办之空气污染专责人员训练[3]。
3-2.第二种估算方法
　　鉴于相关数据取得不易，因此更简单的设计方法就因应而生，即凭借经验法则来设计。固定床式的活性碳吸附设备，一般的设计经验值如下：

• 空塔流速v = 0.2~0.5 m/s
• 空塔停留时间t = 1~2 s
• 压损?P = 70~150 mm-H ₂ O

其中：

• 空塔流速v [m/s] =废气流量Q [m ³ /s] /吸附塔的截面积A [m ² ]
• 空塔停留时间t [s] =吸附塔有效体积V [m ³ ] /废气流量Q [m ³ /s]
• 吸附塔有效体积之估算，无须考虑活性碳间孔隙所占体积，而是吸附塔中有填充活性碳的体积。

　　首先假设一个空塔停留时间t，依经验判断工厂所需的抽引风量Q，如此就可得到活性碳床体积V = Q * t。接下来再假设空塔速度为v，则反应器截面积A = Q / v，填充高度H = V / A。至于压降通常依设计经验来推估。这样活性碳床吸附塔的简单设计就算完成。至于换碳时间的求得，仍须将本计算结果代到第一种方法中，加以反推即可求得。
3-3.理论设计的困难
　　本小节针对上述两种简易估算方法的困难点进行说明。
　　第一种估算方法，就学理而言，应可轻易得到活性碳吸附塔的体积V，以及换碳周期tB。但实际并非如此简单，因为几乎上述所有变数均是未知，对厂商而言，特别是中小企业，只知道有异味，哪会知道工厂风量大小、异味气体为何及其浓度更是完全不知，因此根本无从估算起。即使学有专精的教授或环工技师，也只能凭借经验揣测与概估，即使透过科学方法、现场采样分析，也未必有保握完全清楚上述所有变数；何况这种现场采样分析，动则数万至数十万不等，也是中小企业较难负担的。
　　第二种方法在设计上相对较简单，但无法得知换碳时间，要知道换碳时间仍须将结果代到第一种方法中。问题仍出在异味或VOC的种类与浓度无法确切掌握，因此换碳时间依旧难以估计。
　　综合上述，可以知道参数数据的掌握至为重要，否则难以估计。表1汇整上述参数如何取得，供读者参考。

表1：活性碳床设计所需之相关参数及其取得方法

3-4.理论估算与实际操作的差异
　　即使所有参数都已确实掌握，理论估算与实际操作上仍有许多差异，而这些差异将影响换碳时间，原因包括：

1. 工厂操作非连续：废气浓度、气体组成、废气温度可能随时间变化，忽高忽低，污染物时有时无，如此导致活性碳床内的饱和区的前移，导致理论计算失真。
2. 水气的影响。
3. 其他污染物的竞争吸附。
4. 吸附为放热反应，导致吸附床温度略高于环境温度。
5. 环境温度的影响，当外界环境温度高于设计温度时，活性碳吸附量下降，换碳时间缩短。
6. 日晒：当活性碳床安装未考虑日晒时，白天时轻则降低活性碳吸附量，换碳时间缩短。严重者导致脱附速率高于吸附速率，活性碳床出口浓度遽增。
7. 催化作用可能发生，活性碳并非纯的碳，其上或多或少存有一些杂质与金属，可能导致催化反应，发生未知反应，进而影响吸附行为。
8. 活性碳饱和吸附量的引用错误，这点必须特别注意，因为活性碳饱和吸附量随浓度与温度而异，对于异味物质而言，浓度一般不会很高，因此引用错误数值，换碳时间的估算可能相差甚大。
9. 粒状物的负面影响。

　　上述均为导致换碳时间缩短的可能原因，但这些因子通常是理论计算时无法估计的，因此要由理论推估的换碳时间来操作，恐怕无法完全有效地控制异味问题。

四、可行改善措施
　　可行手段与方法汇整于表2。

表2：提升活性碳床效能之方法与手段汇整

五、结论与建议
　　本文介绍了活性碳吸附床处理异味的基本知识、简易计算、潜在问题、及可行改善手段。希望读者可以了解，活性碳吸附床的简易设计不难，但设计时许多实际状况未有也无法考量，导致实际吸附量与设计有很大出入。厂商会想，钱花了为何问题仍无法彻底解决。这个问题，不可全部归咎给设计厂商、环保法规、甚至工厂邻居的态度。厂商面临环保问题，应思考如何让自己了解问题、工厂为何会有异味、符不符合法规、该如何改善、有没有单位可以提供协助等，从积极面来看事情。了解问题与掌握原理，才能针对问题进行有效的改善，环保署的专责人员训练[5]是一个不错的知识学习平台，桃园地区「桃园县大学校院产业环保技术服务团」为面临问题的工厂进行问题诊断与咨询服务[6]，都可以善加利用。本文撰写仓促，作者才疏学浅，仅将个人经验与大家分享，期对异味控制与改善有所帮助。