活性炭吸附法治理VOCs的影響因素及解決方法

活性炭對(duì)VOCs的吸附性能(néng)除了與活性炭自身性質有關外，還(hái)與吸附質的物性，吸附操作的條件等有關。針對(duì)活性炭進(jìn)行改性處理以滿足某類VOCs的治理要求，或者針對(duì)某類VOCs匹配合适的活性炭品種(zhǒng)和操作條件是目前研究的熱點。

1、活性炭表面(miàn)化學(xué)性質的影響及表面(miàn)化學(xué)改性

活性炭的表面(miàn)化學(xué)性質由活性炭表面(miàn)官能(néng)團的種(zhǒng)類和數量決定，表面(miàn)化學(xué)性質差異影響活性炭的化學(xué)吸附性能(néng)。通過(guò)對(duì)活性炭進(jìn)行表面(miàn)化學(xué)改性，可以改變活性炭對(duì)VOCs的吸附能(néng)力吸附選擇性。SHEN等的研究表明，氨化可以使活性炭表面(miàn)堿性官能(néng)團增加，氧化可以使活性炭表面(miàn)酸性官能(néng)團增加。KIM等研究了不同酸和堿浸漬改性椰殼活性炭對(duì)多種(zhǒng)VOCs的吸附性能(néng)，發(fā)現磷酸浸漬改性的活性炭對(duì)苯、甲苯、二甲苯等VOCs吸附性能(néng)提高。劉耀源等分别利用H2SO4/H2O2[40]、NaOH改性玉米稭稈活性炭，發(fā)現用H2SO4/H2O2改性後(hòu)的活性炭，降低了其對(duì)甲苯等弱極性、非極性物質的吸附量，而用NaOH改性能(néng)提高其對(duì)甲醛等極性物質的吸附能(néng)力。LI等用氨水浸漬改性活性炭，發(fā)現改性後(hòu)的活性炭對(duì)鄰二甲苯等疏水性VOCs的吸附能(néng)力要強于酸改性。負載金屬改性是通過(guò)負載在活性炭上的金屬單質或金屬離子與吸附質之間較強的結合力，來提高活性炭吸附分離性能(néng)的方法。一般認爲，負載金屬改性能(néng)改變活性炭表面(miàn)的化學(xué)性質，進(jìn)而改變活性炭的極性，使得活性炭的吸附以化學(xué)吸附爲主，增加了吸附的選擇性。LU等[44]在200℃的低氧條件下用Co浸漬改性活性炭，發(fā)現改性後(hòu)的活性炭對(duì)甲苯吸附性能(néng)顯著提高。負載金屬改性活性炭技術目前主要應用在處理甲醛、甲苯等分子量小的污染物上，對(duì)一些大分子量VOCs的應用有待進(jìn)一步研究。

2、吸附質物性的影響

吸附質分子是否能(néng)夠進(jìn)入活性炭的孔與其自身的動力學(xué)直徑有關。根據尺寸排斥理論，隻有當活性炭的孔隙直徑大于吸附質分子直徑時(shí)，吸附質分子才能(néng)進(jìn)入到活性炭的孔隙中。研究發(fā)現吸附劑吸附效率最高時(shí)，吸附劑的孔徑與吸附質分子直徑的比值爲1.7∼3.0。大部分氣态污染物的分子尺寸小于2nm，因此适合VOCs吸附的活性炭的内孔道(dào)要以微孔爲主，大于有效孔徑的孔吸附作用甚微。LILLO-RóDENAS等的研究發(fā)現小于0.7nm的微孔對(duì)苯和甲苯有很強的吸附能(néng)力。冀有俊等[50]研究發(fā)現0.60∼1.15nm範圍内的微孔爲CH4吸附的有效區間，大于此範圍的孔在吸附過(guò)程中主要起(qǐ)通道(dào)作用。吸附質物性的影響還(hái)表現在分子量、飽和蒸氣壓、沸點等方面(miàn)。活性炭身有效吸附點位數量有限，當活性炭吸附分子數量相近的不同物質時(shí)，分子量大的表現出活性炭對(duì)其飽和吸附量大。由于沸點高的氣态物質在吸附過(guò)程中容易産生毛細凝聚現象，因此易于被(bèi)吸附。飽和蒸氣壓和活性炭飽和吸附量顯著相關，在一定溫度下，飽和蒸氣壓越大的VOCs越容易脫附。陳良傑等研究了6種(zhǒng)VOCs的飽和蒸氣壓與活性炭飽和吸附量的關系，發(fā)現飽和蒸氣壓越大的VOCs，活性炭的飽和吸附量越小。李立清等研究了甲苯、丙酮及二甲苯3種(zhǒng)VOCs物性對(duì)其在活性炭上吸附行爲的影響，結果表明：活性炭對(duì)有機氣體的飽和吸量随著(zhe)吸附質的分子動力學(xué)直徑、分子量、沸點的增大而增大，随著(zhe)吸附質極性、蒸氣壓的增大而減小。

3、操作條件的影響

吸附操作過(guò)程中的溫度、進(jìn)口濃度、氣體流速、壓力、水分、氣體組成(chéng)等都(dōu)會(huì)影響活性炭的吸附性能(néng)，針對(duì)不同VOCs選擇合适的操作條件十分重要。溫度能(néng)影響擴散速度和吸附平衡，提高溫度能(néng)提高擴散速率，加快到達吸附平衡的時(shí)間，但升高溫度會(huì)導緻吸附量下降，吸附操作時(shí)宜將(jiāng)溫度控制在40℃以内。韓旭等研究了不同溫度下活性炭對(duì)甲基丙烯酸甲酯的吸附過(guò)程，發(fā)現随著(zhe)溫度升高，飽和吸附量不斷降低。對(duì)于同一有機物的吸附，吸附容量随著(zhe)進(jìn)口濃度的增加而增大，随著(zhe)氣體流速的提高而減小，活性炭吸附法最适于處理VOCs濃度爲300∼5000µL/L。GUPTA等通過(guò)研究顆粒活性炭對(duì)苯和甲苯的吸附行爲後(hòu)，建立數學(xué)模型，發(fā)現該模型可以通過(guò)流速、床高和入口濃度來确定穿透時(shí)間。梅磊等[56]采用固定床反應器實驗考察了不同溫度和表觀氣速下GH-8活性炭對(duì)低濃度萘的吸附行爲可用Yoon-Nelson模型描述。增大氣相主體壓力，即增大了吸附質的分壓，有利于吸附，壓力降低有利于解析，低分壓的氣體比高分壓氣體更易吸附。濕度能(néng)顯著影響活性炭對(duì)VOCs的吸附性能(néng)，高華生等研究發(fā)現當氣體濕度大于50%時(shí)，對(duì)吸附的抑制作用顯著增強，特别是對(duì)低濃度的VOCs影響非常顯著。周劍鋒等[59]研究發(fā)現活性炭在處理二氯甲烷類非水溶性VOCs時(shí)，氣體中水分的含量對(duì)吸附效果有很大的影響，甚至能(néng)夠使二氯甲烷脫附;而對(duì)于乙醇類水溶性VOCs，水分的影響并不大，這(zhè)與乙醇有較大極性且與水能(néng)混溶有關。工業排放的有機廢氣往往含有多種(zhǒng)組分，多組分VOCs在活性炭上吸附時(shí)，各組分間會(huì)發(fā)生競争吸附。一種(zhǒng)組分的存在，常常會(huì)對(duì)另一種(zhǒng)組分有副作用，吸附過(guò)程還(hái)存在置換作用。TEFERA等[60]建立二維數學(xué)模型研究固定床吸附器上多組分VOCs的吸附競争，該模型可以準确的預測多組分混合物間的吸附競争和吸附平衡。曹利等研究了VOCs在活性炭上的二元吸附過(guò)程，發(fā)現高沸點組分能(néng)置換低沸點組分，二元體系的吸附量較同等條件時(shí)的單組分吸附量均有不同程度的降低。

活性炭吸附法是工業中最爲廣泛使用的VOCs治理方法，但活性炭在實際應用中還(hái)存在一些問題，如吸附容量不高、吸附後(hòu)活性炭的再生能(néng)力差、吸附性能(néng)受水氣等環境因素影響較大等。爲了進(jìn)一步優化活性炭的吸附性能(néng)，要加強對(duì)活性炭吸附過(guò)程影響因素的研究，尋找行之有效的活性炭孔結構調控和表面(miàn)改性方法，開(kāi)發(fā)具有更佳吸附性能(néng)或滿足特定需求的高效吸附材料(如特種(zhǒng)用途活性炭、高強度活性碳纖維、活性碳布等)。在綜合考慮活性炭吸附治理VOCs的影響因素的基礎上，改進(jìn)和研制VOCs回收及綜合利用設備，設計最佳的工藝操作條件，使活性炭在VOCs的治理方面(miàn)得到更廣闊的應用。