是什么影响了VOCs吸附性能？

时间：2023-07-11 11:00

来源：VOCs减排工作站

VOCs吸附材料多种多样，比如活性炭、树脂、硅胶、氧化铝球、沸石等等。吸附材料对VOCs的吸脱附性能受到多种因素的影响，主要影响因素包括吸附剂的结构参数、VOCs气体分子的性质以及外界条件等，如下详细解说：

1、比表面积和孔结构

表面积为吸附过程提供了场所，增加了吸附剂与VOCs发生作用的概率，比表面积大意味着吸附性能优越，通过打开闭孔或形成新孔来增加吸附剂的比表面积。适当的酸处理和碱处理可以有效地扩大材料的表面积，提高其吸附能力，但过量的酸碱也可能导致孔洞破坏或塌陷从而减少表面积。研究发现，比表面积最高的活性炭并不总是表现出对有机化合物最好的吸附能力，这证明了材料对VOCs的吸附受到多种因素的影响。以活性炭为吸附剂，考察比表面积和孔结构对吸附能力的影响，结果表明对VOCs的吸附主要受孔道扩散控制，且吸附剂的填充密度越小越容易穿透。

碳质吸附材料的微观结构特别是孔径分布决定了其对VOCs的吸附能力，研究发现，制备原料和条件会影响其比表面积和孔特性。不同活化温度对多孔炭材料物理结构的影响规律，发现活化温度对孔径的影响较为显著，随着活化温度的升高，炭材料的孔隙结构经历从低到高又到低的过程。

一般来说，微孔是吸附的主要部位，但在狭窄的孔隙中扩散阻力增大，也会导致吸附率较低；中孔增强了颗粒内的扩散，缩短了吸附时间。因此，吸附材料的孔径决定了能被吸附的VOCs分子的大小，根据尺寸排阻理论，只有当孔隙直径大于VOCs的分子直径时，VOCs分子才能进入吸附材料的孔隙。因此，最佳吸附发生在孔径与吸附质分子尺寸相匹配的地方，微孔有利于小体积VOCs的吸附，中孔等大孔隙更适合大分子VOCs的吸附。对于同一类型的VOCs，分子的直径越大，吸附剂之间孔壁的叠加性越强；吸附键能越强，VOCs的吸附能力越大，较大的VOCs分子表现出较低的吸附能力。

正己烷、甲苯、乙酸乙酯等不同目标物质在活性炭、5A、NaY、13X等吸附剂上的吸脱附行为，采用色谱法与热重法对不同VOCs分子在不同吸附剂上的吸脱附行为进行了热力学研究，发现物理吸附的作用力大小与吸附剂的孔径分布和分子直径相关，当吸附质分子靠近吸附剂表面时，固体表面与分子之间发生相互作用，当分子处于两个表面的时候会产生势能叠加(例如狭缝孔)，而圆柱或球形孔的势能会更大。活性炭的孔形状主要是裂缝孔为主，分子筛具有多维孔体系，孔形状较为复杂。

2、表面化学性质

除了形态结构外，吸附材料表面的化学官能团也可能对VOCs的吸附起作用，其种类和数量对VOCs的吸附能力有很大影响，吸附剂的表面化学修饰可以改变其对VOCs的吸附能力和选择性。例如碳质吸附剂的表面官能团既与原料的性质有关，也与加热、化学和电化学处理等活化或改性方法有关，不同改性方法得到的表面化学官能团不同。

表面官能团的杂原子决定着吸附剂的表面化学性质，杂原子主要包括氧、氮、卤素、氢等，其中多孔碳上的氧和氮基团被认为是吸附过程中最重要的物种。氧基有3种不同类型，分别是酸性、碱性和中性，酸性官能团有—COOH、—OH、—C=O、—CO 和—COO—，其与氧化相有关，其中羧基和羟基表现出较强的电子吸收能力。

一般来说，液相氧化有助于羧酸的形成，而气相氧化促进羟基和羰基的生成。大多数氧基是表面酸性的来源，这有助于亲水性VOCs黏附在碳表面上，由酸和臭氧氧化是在碳材料上引入表面氧基最有效的方法。氧基的存在可能抑制疏水性VOCs与碳质吸附剂上的π电子富区之间的特定相互作用。因此，疏水性VOCs更喜欢吸附在没有表面氧基团的活性炭上。含氮基团通常是通过氨、硝酸和含氮化合物的处理引入的，主要表现为碱性。

负载在活性炭上的过渡金属的化学状态对提高低温下VOCs的吸附能力也起着重要作用。目前，金属改性活性炭技术主要用于处理甲醛、甲苯等小相对分子质量污染物，对一些大相对分子质量VOCs的应用还需要进一步研究。

3、外界检测环境

除了吸附剂和吸附质带来的影响外，温度、湿度等外界条件对VOCs的吸附性能也有一定的影响，温度对VOCs吸附的影响较为明显。HJ 644—2013标准中针对环境空气的挥发性有机物的吸附管采样规定，吸附管的采样温度不超过40 ℃；HJ 734—2014标准中针对固定源污染废气VOCs使用的吸附材料是Tenax GR、Carbopack B、Carbopack C以及Carboxen 1000组成的复合吸附材料，吸附采样温度为0～5 ℃。若要实现对一些低沸点VOCs组分的吸附富集，所需要的温度更低，如C2组分的采样富集通常需要-100 ℃以下的低温，近几年才发展到用-76 ℃的低温冷阱，实现了对C2和C2以上低沸点烃的富集。

当实际取样的场景为高湿度环境且目标吸附质和水在吸附剂表面之间存在竞争吸附时，水的吸附将对VOCs的吸附产生巨大的影响。因此，在捕集前通常会添加除水步骤，减少水蒸气带来的影响。此外，许多研究者通过对吸附材料进行改性来提高。

编辑：李丹