影響活性炭、沸石轉(zhuǎn)輪的吸附性能的因素

VOCs有機(jī)廢氣處理吸附材料多種多樣，比如活性炭、樹脂、硅膠、氧化鋁球、沸石等等。吸附材料對VOCs的吸脫附性能受到多種因素的影響，主要影響因素包括吸附劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)、VOCs氣體分子的性質(zhì)以及外界條件等，如下詳細(xì)解說：

1、比表面積和孔結(jié)構(gòu)

表面積為吸附過程提供了場所，增加了吸附劑與VOCs發(fā)生作用的概率，比表面積大意味著吸附性能優(yōu)越，通過打開閉孔或形成新孔來增加吸附劑的比表面積。適當(dāng)?shù)乃崽幚砗蛪A處理可以有效地擴(kuò)大材料的表面積，提高其吸附能力，但過量的酸堿也可能導(dǎo)致孔洞破壞或塌陷從而減少表面積。研究發(fā)現(xiàn)，比表面積更高的活性炭并不總是表現(xiàn)出對有機(jī)化合物更好的吸附能力，這證明了材料對VOCs的吸附受到多種因素的影響。以活性炭為吸附劑，考察比表面積和孔結(jié)構(gòu)對吸附能力的影響，結(jié)果表明對VOCs的吸附主要受孔道擴(kuò)散控制，且吸附劑的填充密度越小越容易穿透。

碳質(zhì)吸附材料的微觀結(jié)構(gòu)特別是孔徑分布決定了其對VOCs的吸附能力，研究發(fā)現(xiàn)，制備原料和條件會影響其比表面積和孔特性。不同活化溫度對多孔炭材料物理結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)活化溫度對孔徑的影響較為明顯，隨著活化溫度的升高，炭材料的孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從低到高又到低的過程。

一般來說，微孔是吸附的主要部位，但在狹窄的孔隙中擴(kuò)散阻力增大，也會導(dǎo)致吸附率較低；中孔增強(qiáng)了顆粒內(nèi)的擴(kuò)散，縮短了吸附時間。因此，吸附材料的孔徑?jīng)Q定了能被吸附的VOCs分子的大小，根據(jù)尺寸排阻理論，只有當(dāng)孔隙直徑大于VOCs的分子直徑時，VOCs分子才能進(jìn)入吸附材料的孔隙。因此，更佳吸附發(fā)生在孔徑與吸附質(zhì)分子尺寸相匹配的地方，微孔有利于小體積VOCs的吸附，中孔等大孔隙更適合大分子VOCs的吸附。對于同一類型的VOCs，分子的直徑越大，吸附劑之間孔壁的疊加性越強(qiáng)；吸附鍵能越強(qiáng)，VOCs的吸附能力越大，較大的VOCs分子表現(xiàn)出較低的吸附能力。

正己烷、甲苯、乙酸乙酯等不同目標(biāo)物質(zhì)在活性炭、5A、NaY、13X等吸附劑上的吸脫附行為，采用色譜法與熱重法對不同VOCs分子在不同吸附劑上的吸脫附行為進(jìn)行了熱力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)物理吸附的作用力大小與吸附劑的孔徑分布和分子直徑相關(guān)，當(dāng)吸附質(zhì)分子靠近吸附劑表面時，固體表面與分子之間發(fā)生相互作用，當(dāng)分子處于兩個表面的時候會產(chǎn)生勢能疊加(例如狹縫孔)，而圓柱或球形孔的勢能會更大?；钚蕴康目仔螤钪饕橇芽p孔為主，分子篩具有多維孔體系，孔形狀較為復(fù)雜。

2、表面化學(xué)性質(zhì)

除了形態(tài)結(jié)構(gòu)外，吸附材料表面的化學(xué)官能團(tuán)也可能對VOCs的吸附起作用，其種類和數(shù)量對VOCs的吸附能力有很大影響，吸附劑的表面化學(xué)修飾可以改變其對VOCs的吸附能力和選擇性。例如碳質(zhì)吸附劑的表面官能團(tuán)既與原料的性質(zhì)有關(guān)，也與加熱、化學(xué)和電化學(xué)處理等活化或改性方法有關(guān)，不同改性方法得到的表面化學(xué)官能團(tuán)不同。

表面官能團(tuán)的雜原子決定著吸附劑的表面化學(xué)性質(zhì)，雜原子主要包括氧、氮、鹵素、氫等，其中多孔碳上的氧和氮基團(tuán)被認(rèn)為是吸附過程中重要的物種。氧基有3種不同類型，分別是酸性、堿性和中性，酸性官能團(tuán)有—COOH、—OH、—C=O、—CO 和—COO—，其與氧化相有關(guān)，其中羧基和羥基表現(xiàn)出較強(qiáng)的電子吸收能力。

一般來說，液相氧化有助于羧酸的形成，而氣相氧化促進(jìn)羥基和羰基的生成。大多數(shù)氧基是表面酸性的來源，這有助于親水性VOCs黏附在碳表面上，由酸和臭氧氧化是在碳材料上引入表面氧基有效的方法。氧基的存在可能抑制疏水性VOCs與碳質(zhì)吸附劑上的π電子富區(qū)之間的特定相互作用。因此，疏水性VOCs更喜歡吸附在沒有表面氧基團(tuán)的活性炭上。含氮基團(tuán)通常是通過氨、硝酸和含氮化合物的處理引入的，主要表現(xiàn)為堿性。

負(fù)載在活性炭上的過渡金屬的化學(xué)狀態(tài)對提高低溫下VOCs的吸附能力也起著重要作用。目前，金屬改性活性炭技術(shù)主要用于處理甲醛、甲苯等小相對分子質(zhì)量污染物，對一些大相對分子質(zhì)量VOCs的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。

3、外界檢測環(huán)境

除了吸附劑和吸附質(zhì)帶來的影響外，溫度、濕度等外界條件對VOCs的吸附性能也有一定的影響，溫度對VOCs吸附的影響較為明顯。HJ 644—2013標(biāo)準(zhǔn)中針對環(huán)境空氣的揮發(fā)性有機(jī)物的吸附管采樣規(guī)定，吸附管的采樣溫度不超過40 ℃；HJ 734—2014標(biāo)準(zhǔn)中針對固定源污染廢氣VOCs使用的吸附材料是Tenax GR、Carbopack B、Carbopack C以及Carboxen 1000組成的復(fù)合吸附材料，吸附采樣溫度為0～5 ℃。若要實現(xiàn)對一些低沸點VOCs組分的吸附富集，所需要的溫度更低，如C2組分的采樣富集通常需要-100 ℃以下的低溫，近幾年才發(fā)展到用-76 ℃的低溫冷阱，實現(xiàn)了對C2和C2以上低沸點烴的富集。

當(dāng)實際取樣的場景為高濕度環(huán)境且目標(biāo)吸附質(zhì)和水在吸附劑表面之間存在競爭吸附時，水的吸附將對VOCs的吸附產(chǎn)生巨大的影響。因此，在捕集前通常會添加除水步驟，減少水蒸氣帶來的影響。此外，許多研究者通過對吸附材料進(jìn)行改性來提高。