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，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，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，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間，但升高溫度會導緻吸附量下降，吸附操作時宜將(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，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，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，各組分間會發(fā)生競争吸附。一種(zhǒng)組分的存在，常常會對(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。