影響活性炭吸附揮發性有機物的因素

    活性炭對揮發性有機物的吸附性能除了與 活性炭自身性質有關外，還與吸附質的物性，吸附操作的條件等有關。針對活性炭進行改性處理以滿足某類揮發性有機物的治理要求，或者針對某類揮發性有機物匹配合適的活性炭品種和操作條件是目前研究的熱點。  活性炭表面化學性質的影響及表面化學改性      活性炭的表面化學性質由活性炭表面官能團的種類和數量決定，表面化學性質差異影響活性炭的化學吸附性能。通過對活性炭進行表面化學改性，可以改變活性炭對揮發性有機物的吸附能力和吸附選擇性。     研究表明，氨化可以使活性炭表面堿性官能團增加，氧化可以使活性炭表面酸性官能團增加不同酸和堿浸漬改性椰殼活性炭對多種揮發性有機物的吸附性能，發現磷酸浸漬改性的活性炭對苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機物吸附性能提高。     分別利用H2SO4/H2O2、NaOH改性玉米秸稈活性炭，發現用H2SO4/H2O2改性后的活性炭，降低了其對甲苯等弱極性、非極性物質的吸附量，而用NaOH改性能提高其對甲醛等極性物質的吸附能力。     用氨水浸漬改性活性炭，發現改性后的活性炭對鄰二甲苯等疏水性揮發性有機物的吸附能力要強于酸改性。負載金屬改性是通過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的方法。一般認為，負載金屬改性能改變活性炭表面的化學性質，進而改變活性炭的極性，使得活性炭的吸附以化學吸附為主，增加了吸附的選擇性[]。     在200℃的低氧條件下用Co浸漬改性活性炭， 發現改性后的 活性炭對甲苯吸附性能顯著提高。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，對一些大分子量揮發性有機物的 應用有待進一步研究。  吸附質物性的影響      吸附質分子是否能夠進入活性炭的孔與其自身的動力學直徑有關。根據尺寸排斥理論，只有當活性炭的孔隙直徑大于吸附質分子直徑時，吸附質分子才能進入到活性炭的孔隙中。研究發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 1.7～3.0。大部分氣態污染物的分子尺寸小于2mm， 因此適合揮發性有機物吸附的活性炭的內孔道要以微孔為主，大于有效孔徑的孔吸附作用甚微。研究還發現小于0.7mm的微孔對苯和甲苯有很強的吸附能力。0.60～1.15mm范圍內的微孔為CH4吸附的有效區間，大于此范圍的孔在吸附過程中主要起通道作用。吸附質物性的影響還表現在分子量、飽和蒸氣壓、沸點等方面。活性炭自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其飽和吸附量大。由于沸點高的氣態物質在吸附過程中容易產生毛細凝聚現象，因此易于被吸附。飽和蒸氣壓和 活性炭飽和吸附量顯著相關，在一定溫度下，飽和蒸氣壓越大的揮發性有機物越容易脫附。通過研究6種揮發性有機物的飽和蒸氣壓與活性炭飽和吸附量的關系，發現飽和蒸氣壓越大的揮發性有機物活性炭的飽和吸附量越小。甲苯、丙酮及二甲苯物性對其在活性炭上吸附行為的影響，結果表明：活性炭對有機氣體的飽和吸附量隨著吸附質的分子動力學直徑、分子量、沸點的增大而增大，隨著吸附質極性、蒸氣壓的增大而減小。 操作條件的影響     吸附操作過程中的溫度、 進口濃度、氣體流速、壓力、水分、氣體組成等都會影響活性炭的吸附性能，針對不同揮發性有機物選擇合適的操作條件十分重要。溫度能影響擴散速度和吸附平衡，提高溫度能提高擴散速率，加快到達吸附平衡的時間，但升高溫度會導致吸附量下降，吸附操作時宜將溫度控制在40℃以內。不同溫度下活性炭對甲基丙烯酸甲酯的吸附過程，隨著溫度升高，飽和吸附量不斷降低。對于同一有機物的吸附，吸附容量隨著進口濃度的增加而增大，隨著氣體流速的提高而減小，活性炭吸附法最適于處理揮發性有機物濃度為300～5000uL/L。通過研究顆粒活性炭對苯和甲苯的吸附行為，建立數學模型，發現該模型可以通過流速、床高和入口濃度來確定穿透時間。采用固定床反應器實驗考察不同溫度和表觀氣速下活性炭對低濃度萘的吸附行為。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。 濕度能顯著影響活性炭對揮發性有機物的吸附性能，研究發現當氣體濕度大于50％時， 對吸附的抑制作用顯著增強，特別是對低濃度的揮發性有機物影響非常顯著。研究發現活性炭在處理二氯甲烷類非水溶性揮發性有機物時，氣體中水分的含量對吸附效果有很大的影響，甚至能夠使二氯甲烷脫附；而對于乙醇類水溶性揮發性有機物，水分的影響并不 大，這與乙醇有較大極性且與水能混溶有關。工業排放的有機廢氣往往含有多種組分，多組分揮發性有機物在活性炭上吸附時，各組分間會發生競爭吸附。一種組分的存在，常常會對另一種組分有副作用，吸附過程還存在置換作用。固定床吸附器上多組分揮發性有機物的吸附競爭，該模型可以準確的預測多組分混合物間的吸附競爭和吸附平衡。了揮發性有機物在活性炭上的二元吸附過程，發現高沸點組分能置換低沸點組分，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為廣泛使用的揮發性有機物治理方法， 但活性炭在實際應用中還存在一些問題，如吸附容量不高、吸附后活性炭的再生能力差、吸附性能受水氣等環境因素影響較大等。為了進一步優化活性炭的吸附性能，要加強對活性炭吸附過程影響因素的研究，尋找行之有效的活性炭孔結構調控和表面改性方法，開發具有更佳吸附性能或滿足特定需求的高效吸附材料(如特種用途活性炭、高強度活性炭纖維、活性炭布等)。在綜合考慮 活性炭吸附治理揮發性有機物的影響因素的基礎上，改進和研制揮發性有機物回收及綜合利用設備，設計最佳的工藝操作條件，使活性炭在揮發性有機物的治理方面得到更廣闊的應用。