影響活性炭吸附VOCs效果的因素分析

揮發(fā)性有機化合物是一類有機化合物的統(tǒng)稱，簡稱VOCs，即沸點在50～ 250℃之間，常溫下飽和蒸汽壓大于133.32Pa，通常以蒸汽形式存在于空氣中的一類有機化合物。VOCs是常見的大氣污染物，其主要組成有烴類、鹵代烴、酯、酸等，可對人體的呼吸系統(tǒng)和肝臟器官造成不良影響，國際社會已對VOCs的排放做出嚴格規(guī)定。目前有關(guān)VOCs治理工作已成為當前大氣污染防治工作的一項重要工作。

VOCs的處理方法主要有：物理法和生化法。其中物理法主要有吸附法、分離法，生化法主要有熱氧化法、催化燃燒法、生物氧化法、電暈法等，其中吸附法是最常用的凈化方法，而活性炭是最常用的吸附劑。

本文綜述了國內(nèi)外活性炭吸附VOCs研究進展，重點分析了影響活性炭吸附VOCs效果的影響因素，以期在活性炭吸附治理VOCs 的工作中提供有價值的參考。

1 活性炭吸附法治理VOCs的工藝

活性炭吸附法治理VOCs工藝技術(shù)有變壓吸附(pressure swingadsorption，PSA)、變溫吸附(thermal swing adsorption，TSA)，兩者聯(lián)用的變溫- 變壓吸附(thermal pressure swing adsorption，TPSA)和變電吸附(electric swing adsorption，ESA)。

2 活性炭吸附VOCs的影響因素

本文所指吸附是指當氣體與多孔固體材料接觸時，氣體物質(zhì)中某一物質(zhì)或多種物質(zhì)在固體材料的內(nèi)、外表面處產(chǎn)生積蓄的現(xiàn)象。多孔固體材料稱為吸附劑，被吸附積蓄的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。常用的吸附劑有：活性炭、活性硅膠、氧化鋁等。氣體混合物能否通過吸附分離成功，主要取決于吸附劑對吸附質(zhì)的吸附效果，因此吸附劑的選擇是確定吸附操作的首要問題?；钚蕴孔鳛槟壳白畛Ｓ玫腣OCs吸附劑，主要有以下特點。

(1) 活性炭具有孔徑分布廣泛、孔隙率高和比表面積大的優(yōu)點。(2)活性炭的機械性能高、化學性質(zhì)穩(wěn)定，能在較大的pH 范圍內(nèi)使用。(3)活性炭具有一定的催化活性。(4) 活性炭的疏水性使其對揮發(fā)性有機化合物有極強的吸附性，并且能在較大的濕度下依然保持較強吸附性能。

2.1 活性炭孔隙分布對VOCs 吸附效果的分析

活性炭不同孔徑的孔隙具有完全不同的吸附機理。其中微孔(<2nm)吸附基本符合微孔填充理論，即固體吸附劑表面存在位勢場，鄰近的VOCs 分子在場的作用下吸附在吸附劑表面;過渡孔(2nm 至100nm)吸附時除單分子層和多分子層吸附外，更主要的是通過毛細凝聚機理產(chǎn)生容積填充吸附;大孔(>100nm)吸附主要是多分子層吸附，符合BET 理論。此外，活性炭的孔徑要和VOCs 的分子大小相匹配才能被有效吸附。在分子大小相匹配的情況下，活性炭孔徑的分布越均勻、孔的形狀越規(guī)則，則活性炭吸附效果越好。

梁曉懌等[4] 通過活性炭對甲醛氣體的吸附試驗，證明吸附效果與活性炭孔結(jié)構(gòu)和甲醛分子的表面官能團密切相關(guān)：活性炭的微孔比表面積越大，其表面能越高，吸附效果越明顯;若活性炭過渡孔比表面積大，則吸附達到平衡的時間短。

2.2 性炭活化方式對VOCs吸附效果的分析

活性炭的活化按活化方式可分為物理活化和化學活化。其中物理活化是利用活性氣體在較高溫度下對活性炭進行弱氧化，常用水蒸氣或CO2來活化活性炭?；瘜W活化法是在一定溫度下將活性炭浸漬在化學藥品中對其表面進行改性，常用硝酸及其鹽類。

R.R.Bansod 等利用不同原料和不同方法制備的活性炭對苯、二氯甲烷、四氯化碳等化合物進行吸附試驗。結(jié)果表明，活性炭的制備材料和制作過程對活性炭吸附能力有顯著影響。

2.3 對不同初始濃度VOCs吸附效果的分析

VOCs濃度對活性炭吸附效果有顯著影響。一般情況下，VOCs初始濃度越大，其對活性炭的穿透時間和飽和時間越短。活性炭對高濃度VOCs 吸附的過程屬于物理吸附，基本不用考慮化學吸附的影響，吸附效果主要取決于活性炭孔徑的大小和數(shù)量;而對于低濃度VOCs 吸附的過程屬于化學吸附，吸附效果主要取決于VOCs的化學性質(zhì)。

袁文輝等進行了不同濃度的甲苯吸附試驗。結(jié)果表明，不同濃度甲苯的10% 穿透吸附劑的時間與吸附質(zhì)初始濃度的對數(shù)存在線性關(guān)系，即吸附質(zhì)初始濃度越大，其透過吸附劑的時間越短，吸附質(zhì)的吸附效果越好。

2.4 對不同分子量和極性VOCs吸附效果的分析

VOCs的分子量和極性對活性炭吸附效果有很大影響。一般情況下，若VOCs結(jié)構(gòu)類似，其相對分子質(zhì)量越大，則被吸附得越多;對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)都相近的VOCs，則是不飽和性越大越易被吸附。

Yu-ChunChiang等利用不同原料制配的活性炭吸附苯、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳4 種VOCs。結(jié)果表明，活性炭對苯的吸附效果更強，因為苯有較高的吸附熱和較低的熵變。

2.5 不同組分VOCs吸附效果的分析

VOCs的組分不同，活性炭吸附的效果不同。因為VOCs各組分的吸附親和力不同，在被活性炭吸附時會產(chǎn)生競爭效應(yīng)。VOCs各組分在活性炭表面的吸附過程是一個吸附和解離的動態(tài)平衡過程，吸附能力強的VOCs組分先達到動態(tài)平衡，吸附能力弱的VOCs組分后達到平衡。

2.6 素對活性炭吸附效果的分析

VOCs流量、吸附劑的填充密度等對吸附質(zhì)的吸附效果都有不同程度的影響。袁文輝 研究了用活性炭吸附苯系物的試驗。結(jié)果表明，VOCs的流量加大會較快到達穿透點和吸附飽和點，吸附曲線斜率不變，使穿透曲線發(fā)生前移;吸附劑填充密度對吸附質(zhì)穿透時間與飽和時間都有影響，吸附劑填充密度大有利于吸附。

隨著人們對霧霾污染的廣泛關(guān)注，環(huán)保行業(yè)對VOCs 的治理工作也將很快提上日程，這對以活性炭吸附法為主的VOCs吸附回收技術(shù)提出了更高的要求，尤其是活性炭的吸附性能。因此，在開發(fā)高效實用、強吸附性能的活性炭材料方面，仍然需要不斷深入和系統(tǒng)的研究。今后多種VOCs治理技術(shù)的耦合使用，將是VOCs治理重點研究方向。