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影响活性炭吸附VOCs效果的因素分析

摘要:本文从介绍VOCs治理技术出发,简述VOCs治理方法。活性炭吸附是治理VOCs污染的有效手段,在总结现有研究进展的基础上,分析了活性炭具有较强吸附性的原因,及影响活性炭吸附VOCs效果的因素。
 
挥发性有机化合物是一类有机化合物的统称,简称VOCs,即沸点在50~ 250℃之间,常温下饱和蒸汽压大于133.32Pa,通常以蒸汽形式存在于空气中的一类有机化合物。VOCs是常见的大气污染物,其主要组成有烃类、卤代烃、酯、酸等,可对人体的呼吸系统和肝脏器官造成不良影响,国际社会已对VOCs的排放做出严格规定。目前有关VOCs治理工作已成为当前大气污染防治工作的一项重要工作。
 
VOCs的处理方法主要有:物理法和生化法。其中物理法主要有吸附法、分离法,生化法主要有热氧化法、催化燃烧法、生物氧化法、电晕法等,其中吸附法是最常用的净化方法,而活性炭是最常用的吸附剂。
 
本文综述了国内外活性炭吸附VOCs研究进展,重点分析了影响活性炭吸附VOCs效果的影响因素,以期在活性炭吸附治理VOCs 的工作中提供有价值的参考。
 
1 活性炭吸附法治理VOCs的工艺
 
活性炭吸附法治理VOCs工艺技术有变压吸附(pressure swingadsorption,PSA)、变温吸附(thermal swing adsorption,TSA),两者联用的变温- 变压吸附(thermal pressure swing adsorption,TPSA)和变电吸附(electric swing adsorption,ESA)。
 
2 活性炭吸附VOCs的影响因素
 
本文所指吸附是指当气体与多孔固体材料接触时,气体物质中某一物质或多种物质在固体材料的内、外表面处产生积蓄的现象。多孔固体材料称为吸附剂,被吸附积蓄的物质称为吸附质。常用的吸附剂有:活性炭、活性硅胶、氧化铝等。气体混合物能否通过吸附分离成功,主要取决于吸附剂对吸附质的吸附效果,因此吸附剂的选择是确定吸附操作的首要问题。活性炭作为目前最常用的VOCs吸附剂,主要有以下特点。
 
(1) 活性炭具有孔径分布广泛、孔隙率高和比表面积大的优点。(2)活性炭的机械性能高、化学性质稳定,能在较大的pH 范围内使用。(3)活性炭具有一定的催化活性。(4) 活性炭的疏水性使其对挥发性有机化合物有极强的吸附性,并且能在较大的湿度下依然保持较强吸附性能。
 
2.1 活性炭孔隙分布对VOCs 吸附效果的分析
 
活性炭不同孔径的孔隙具有完全不同的吸附机理。其中微孔(<2nm)吸附基本符合微孔填充理论,即固体吸附剂表面存在位势场,邻近的VOCs 分子在场的作用下吸附在吸附剂表面;过渡孔(2nm 至100nm)吸附时除单分子层和多分子层吸附外,更主要的是通过毛细凝聚机理产生容积填充吸附;大孔(>100nm)吸附主要是多分子层吸附,符合BET 理论。此外,活性炭的孔径要和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况下,活性炭孔径的分布越均匀、孔的形状越规则,则活性炭吸附效果越好。
 
梁晓怿等[4] 通过活性炭对甲醛气体的吸附试验,证明吸附效果与活性炭孔结构和甲醛分子的表面官能团密切相关:活性炭的微孔比表面积越大,其表面能越高,吸附效果越明显;若活性炭过渡孔比表面积大,则吸附达到平衡的时间短。
 
2.2 性炭活化方式对VOCs吸附效果的分析
 
活性炭的活化按活化方式可分为物理活化和化学活化。其中物理活化是利用活性气体在较高温度下对活性炭进行弱氧化,常用水蒸气或CO2来活化活性炭。化学活化法是在一定温度下将活性炭浸渍在化学药品中对其表面进行改性,常用硝酸及其盐类。
 
R.R.Bansod 等利用不同原料和不同方法制备的活性炭对苯、二氯甲烷、四氯化碳等化合物进行吸附试验。结果表明,活性炭的制备材料和制作过程对活性炭吸附能力有显著影响。
 
2.3 对不同初始浓度VOCs吸附效果的分析
 
VOCs浓度对活性炭吸附效果有显著影响。一般情况下,VOCs初始浓度越大,其对活性炭的穿透时间和饱和时间越短。活性炭对高浓度VOCs 吸附的过程属于物理吸附,基本不用考虑化学吸附的影响,吸附效果主要取决于活性炭孔径的大小和数量;而对于低浓度VOCs 吸附的过程属于化学吸附,吸附效果主要取决于VOCs的化学性质。
 
袁文辉等进行了不同浓度的甲苯吸附试验。结果表明,不同浓度甲苯的10% 穿透吸附剂的时间与吸附质初始浓度的对数存在线性关系,即吸附质初始浓度越大,其透过吸附剂的时间越短,吸附质的吸附效果越好。
 
2.4 对不同分子量和极性VOCs吸附效果的分析
 
VOCs的分子量和极性对活性炭吸附效果有很大影响。一般情况下,若VOCs结构类似,其相对分子质量越大,则被吸附得越多;对分子质量和结构都相近的VOCs,则是不饱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 种VOCs。结果表明,活性炭对苯的吸附效果更强,因为苯有较高的吸附热和较低的熵变。
 
2.5 不同组分VOCs吸附效果的分析
 
VOCs的组分不同,活性炭吸附的效果不同。因为VOCs各组分的吸附亲和力不同,在被活性炭吸附时会产生竞争效应。VOCs各组分在活性炭表面的吸附过程是一个吸附和解离的动态平衡过程,吸附能力强的VOCs组分先达到动态平衡,吸附能力弱的VOCs组分后达到平衡。
 
2.6 素对活性炭吸附效果的分析
 
VOCs流量、吸附剂的填充密度等对吸附质的吸附效果都有不同程度的影响。袁文辉 研究了用活性炭吸附苯系物的试验。结果表明,VOCs的流量加大会较快到达穿透点和吸附饱和点,吸附曲线斜率不变,使穿透曲线发生前移;吸附剂填充密度对吸附质穿透时间与饱和时间都有影响,吸附剂填充密度大有利于吸附。
 
3 结语及展望
 
随着人们对雾霾污染的广泛关注,环保行业对VOCs 的治理工作也将很快提上日程,这对以活性炭吸附法为主的VOCs吸附回收技术提出了更高的要求,尤其是活性炭的吸附性能。因此,在开发高效实用、强吸附性能的活性炭材料方面,仍然需要不断深入和系统的研究。今后多种VOCs治理技术的耦合使用,将是VOCs治理重点研究方向。
 
 来源:《环境与发展》