影響活性炭吸附VOCs效果的因素分析

揮發(fā)性有機(jī)化合物是一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，簡稱VOCs，即沸點(diǎn)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(jī)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(huì)已對VOCs的排放做出嚴(yán)格規(guī)定。目前有關(guān)VOCs治理工作已成為當(dāng)前大氣污染防治工作的一項(xiàng)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(jìn)展，重點(diǎn)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(jià)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(dāng)氣體與多孔固體材料接觸時(shí)，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。活性炭作為目前最常用的VOCs吸附劑，主要有以下特點(diǎn)。
(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(diǎn)。(2)活性炭的機(jī)械性能高、化學(xué)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(jī)化合物有極強(qiáng)的吸附性，并且能在較大的濕度下依然保持較強(qiáng)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(jī)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(shí)除單分子層和多分子層吸附外，更主要的是通過毛細(xì)凝聚機(jī)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(yàn)，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(tuán)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(dá)到平衡的時(shí)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(xué)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(jìn)行弱氧化，常用水蒸氣或CO2來活化活性炭?；瘜W(xué)活化法是在一定溫度下將活性炭浸漬在化學(xué)藥品中對其表面進(jìn)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(jìn)行吸附試驗(yàn)。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(shí)間和飽和時(shí)間越短?；钚蕴繉Ω邼舛萔OCs 吸附的過程屬于物理吸附，基本不用考慮化學(xué)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(xué)吸附，吸附效果主要取決于VOCs的化學(xué)性質(zhì)。
袁文輝等進(jìn)行了不同濃度的甲苯吸附試驗(yàn)。結(jié)果表明，不同濃度甲苯的10% 穿透吸附劑的時(shí)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(shí)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(qiáng)，因?yàn)楸接休^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?yàn)閂OCs各組分的吸附親和力不同，在被活性炭吸附時(shí)會(huì)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(gè)吸附和解離的動(dòng)態(tài)平衡過程，吸附能力強(qiáng)的VOCs組分先達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，吸附能力弱的VOCs組分后達(dá)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(yàn)。結(jié)果表明，VOCs的流量加大會(huì)較快到達(dá)穿透點(diǎn)和吸附飽和點(diǎn)，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(shí)間與飽和時(shí)間都有影響，吸附劑填充密度大有利于吸附。
3 結(jié)語及展望
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(shí)用、強(qiáng)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(diǎn)研究方向。
來源：《環(huán)境與發(fā)展》