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    影响活性炭吸附VOCs效果的因素分析
    作者:裴多斐 于丽平等   2019.01.11   点击326次

    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?;钚蕴孔魑壳白畛S玫腣OCs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?;Щ罨ㄊ窃谝欢ㄎ露认陆钚蕴拷赵诨б┢分卸云浔砻娼懈男?,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?;钚蕴慷愿吲ǘ萔OCs 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。

    本文来自:环境与发展
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