活性炭吸附法治理VOCs的影响因素及解决方法

活性炭对VOCs的吸附性能除了与活性炭自身性质有关外，还与吸附质的物性，吸附操作的条件等有关。针对活性炭进行改性处理以满足某类VOCs的治理要求，或者针对某类VOCs匹配合适的活性炭品种和操作条件是目前研究的热点。

1、活性炭表面化学性质的影响及表面化学改性

活性炭的表面化学性质由活性炭表面官能团的种类和数量决定，表面化学性质差异影响活性炭的化学吸附性能。通过对活性炭进行表面化学改性，可以改变活性炭对VOCs的吸附能力吸附选择性。SHEN等的研究表明，氨化可以使活性炭表面碱性官能团增加，氧化可以使活性炭表面酸性官能团增加。KIM等研究了不同酸和碱浸渍改性椰壳活性炭对多种VOCs的吸附性能，发现磷酸浸渍改性的活性炭对苯、甲苯、二甲苯等VOCs吸附性能提高。刘耀源等分别利用H2SO4/H2O2[40]、NaOH改性玉米秸秆活性炭，发现用H2SO4/H2O2改性后的活性炭，降低了其对甲苯等弱极性、非极性物质的吸附量，而用NaOH改性能提高其对甲醛等极性物质的吸附能力。LI等用氨水浸渍改性活性炭，发现改性后的活性炭对邻二甲苯等疏水性VOCs的吸附能力要强于酸改性。负载金属改性是通过负载在活性炭上的金属单质或金属离子与吸附质之间较强的结合力，来提高活性炭吸附分离性能的方法。一般认为，负载金属改性能改变活性炭表面的化学性质，进而改变活性炭的极性，使得活性炭的吸附以化学吸附为主，增加了吸附的选择性。LU等[44]在200℃的低氧条件下用Co浸渍改性活性炭，发现改性后的活性炭对甲苯吸附性能显著提高。负载金属改性活性炭技术目前主要应用在处理甲醛、甲苯等分子量小的污染物上，对一些大分子量VOCs的应用有待进一步研究。

2、吸附质物性的影响

吸附质分子是否能够进入活性炭的孔与其自身的动力学直径有关。根据尺寸排斥理论，只有当活性炭的孔隙直径大于吸附质分子直径时，吸附质分子才能进入到活性炭的孔隙中。研究发现吸附剂吸附效率最高时，吸附剂的孔径与吸附质分子直径的比值为1.7∼3.0。大部分气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要以微孔为主，大于有效孔径的孔吸附作用甚微。LILLO-RóDENAS等的研究发现小于0.7nm的微孔对苯和甲苯有很强的吸附能力。冀有俊等[50]研究发现0.60∼1.15nm范围内的微孔为CH4吸附的有效区间，大于此范围的孔在吸附过程中主要起通道作用。吸附质物性的影响还表现在分子量、饱和蒸气压、沸点等方面。活性炭身有效吸附点位数量有限，当活性炭吸附分子数量相近的不同物质时，分子量大的表现出活性炭对其饱和吸附量大。由于沸点高的气态物质在吸附过程中容易产生毛细凝聚现象，因此易于被吸附。饱和蒸气压和活性炭饱和吸附量显著相关，在一定温度下，饱和蒸气压越大的VOCs越容易脱附。陈良杰等研究了6种VOCs的饱和蒸气压与活性炭饱和吸附量的关系，发现饱和蒸气压越大的VOCs，活性炭的饱和吸附量越小。李立清等研究了甲苯、丙酮及二甲苯3种VOCs物性对其在活性炭上吸附行为的影响，结果表明：活性炭对有机气体的饱和吸量随着吸附质的分子动力学直径、分子量、沸点的增大而增大，随着吸附质极性、蒸气压的增大而减小。

3、操作条件的影响

吸附操作过程中的温度、进口浓度、气体流速、压力、水分、气体组成等都会影响活性炭的吸附性能，针对不同VOCs选择合适的操作条件十分重要。温度能影响扩散速度和吸附平衡，提高温度能提高扩散速率，加快到达吸附平衡的时间，但升高温度会导致吸附量下降，吸附操作时宜将温度控制在40℃以内。韩旭等研究了不同温度下活性炭对甲基丙烯酸甲酯的吸附过程，发现随着温度升高，饱和吸附量不断降低。对于同一有机物的吸附，吸附容量随着进口浓度的增加而增大，随着气体流速的提高而减小，活性炭吸附法最适于处理VOCs浓度为300∼5000µL/L。GUPTA等通过研究颗粒活性炭对苯和甲苯的吸附行为后，建立数学模型，发现该模型可以通过流速、床高和入口浓度来确定穿透时间。梅磊等[56]采用固定床反应器实验考察了不同温度和表观气速下GH-8活性炭对低浓度萘的吸附行为可用Yoon-Nelson模型描述。增大气相主体压力，即增大了吸附质的分压，有利于吸附，压力降低有利于解析，低分压的气体比高分压气体更易吸附。湿度能显著影响活性炭对VOCs的吸附性能，高华生等研究发现当气体湿度大于50%时，对吸附的抑制作用显著增强，特别是对低浓度的VOCs影响非常显著。周剑锋等[59]研究发现活性炭在处理二氯甲烷类非水溶性VOCs时，气体中水分的含量对吸附效果有很大的影响，甚至能够使二氯甲烷脱附;而对于乙醇类水溶性VOCs，水分的影响并不大，这与乙醇有较大极性且与水能混溶有关。工业排放的有机废气往往含有多种组分，多组分VOCs在活性炭上吸附时，各组分间会发生竞争吸附。一种组分的存在，常常会对另一种组分有副作用，吸附过程还存在置换作用。TEFERA等[60]建立二维数学模型研究固定床吸附器上多组分VOCs的吸附竞争，该模型可以准确的预测多组分混合物间的吸附竞争和吸附平衡。曹利等研究了VOCs在活性炭上的二元吸附过程，发现高沸点组分能置换低沸点组分，二元体系的吸附量较同等条件时的单组分吸附量均有不同程度的降低。

活性炭吸附法是工业中最为广泛使用的VOCs治理方法，但活性炭在实际应用中还存在一些问题，如吸附容量不高、吸附后活性炭的再生能力差、吸附性能受水气等环境因素影响较大等。为了进一步优化活性炭的吸附性能，要加强对活性炭吸附过程影响因素的研究，寻找行之有效的活性炭孔结构调控和表面改性方法，开发具有更佳吸附性能或满足特定需求的高效吸附材料(如特种用途活性炭、高强度活性碳纤维、活性碳布等)。在综合考虑活性炭吸附治理VOCs的影响因素的基础上，改进和研制VOCs回收及综合利用设备，设计最佳的工艺操作条件，使活性炭在VOCs的治理方面得到更广阔的应用。