低濃度VOCs吸附濃縮材料-活性炭和分子篩
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隨著國家對污染管控的越來越嚴，VOCs排放監管也越來越規范。低濃度、大風量VOCs的列入監管處理的范圍。當前對低濃度、大風量VOCs處理技術主要有間隙式吸附-脫附-催化燃燒技術，和連續式吸附-脫附-催化燃燒技術。間隙式吸附-脫附-催化燃燒技術通常是活性炭濃縮-催化燃燒技術;連續式吸附-脫附-催化燃燒技術通常是分子篩轉輪濃縮-催化燃燒技術。低濃度VOCs的濃縮的核心材料是吸附材料，了解吸附材料的性能，用好VOCs吸附材料對濃縮催化燃燒技術非常重要。最近收集了一些吸附材料的文獻資料，希望對使用吸附濃縮技術的企業有幫助。
1.什么是吸附材料
吸附材料也稱吸附劑，是一種能有效從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質。吸附材料應具有大的比表面、適宜的孔結構及表面結構;對吸附質(VOCs)有強烈的吸附能力;不與吸附質(VOCs)和介質發生化學反應。
常見的吸附材料有：活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩、天然黏土等。這些吸附材料中最具代表性的是活性炭，吸附性能相當好，用于VOCs吸附、防毒面具、水體凈化等等。
2.吸附材料的主要參數
飽和吸附容量：吸附容量是單位重量吸附劑達到吸附飽和時能吸附的吸附質(VOC)的量，單位為mg/g。不同VOCs，由于化學性質不同，沸點不同，飽和吸附量差別很大，可用等溫吸附線測量飽和吸附量。
穿透曲線：吸附劑在固定床吸附廢氣吸附操作時,從穿透點開始到出、入口氣流中吸附質濃度相等為止這段時間內出，流出口濃度隨時間的變化曲線稱為穿透曲線。由于穿透曲線易于測定和描繪，它反映床層吸附負荷曲線形狀，從而確定其床層傳質區長度。吸附過程中，流出氣體中出現吸附質時，這個點稱為穿透曲線的穿透點，也可用流出物濃度為進料濃度的5%或10%為作為穿透點。到達穿透點時吸附劑的吸附量稱為穿透吸附量，或穿透容量。
圖1是典型的穿透曲線(來自百度)，進一步說明了吸附過程吸附帶的移動和穿透點，吸附帶的高度(傳質區長度)越小吸附劑的利用率越高。
脫附溫度：脫附是吸附的逆過程，是使已被吸附的組分達到飽和的吸附劑中析出，吸附劑得以再生的操作過程。脫附也是被吸附于界面的物質在一定條件下，離逸界面重新進入體相的過程，也稱解吸。脫附有熱脫附，減壓脫附，沖洗脫附等等工藝。低濃度VOCs吸附的濃縮脫附往往采用熱脫附，脫附溫度就是指吸附在吸附材料表面VOC通過熱脫附再生，所需要的最低溫度。
高性能的吸附材料應該具備量飽和吸附量大、吸附帶窄，熱脫附溫度越低。
3.吸附材料的吸附性能
活性炭和分子篩是最為常用的吸附材料，廣泛用于低濃度VOVs的濃縮技術上�；钚蕴恐饕糜陂g隙式吸附-脫附;分子篩主要用于連續式吸附-脫附(如轉輪技術)，以下主要分析活性炭和分子篩。
3.1活性炭
由于原料來源、制造方法不同，活性炭有上千個品種。以木質活性炭為例，有木屑、木炭為原料的活性炭;椰子殼、核桃殼、杏核殼等為原料的果殼活性炭;褐煤、泥煤、煙煤、無煙煤等為原料的煤質活性炭;瀝青等為原料的瀝青基球狀石油類活性炭;廢炭為原料進行再活化處理的再生活性炭。還有活性炭纖維�；钚蕴祭w維是經過活化的含碳纖維�；钚蕴靠梢宰龀筛鞣N形狀，如粉末活性炭、顆�；钚蕴�、蜂窩活性炭。雖然都稱為活性炭，不同活性炭的制作成本，比表面積，表面極性差別很大，直接影響對VOCs吸附性能。水蒸汽對VOC吸附有抑制作用，隨著濕度增大，VOCs的吸附能力下降。
曹利等[環境科學與技術，2012,35:160]測量了甲苯、苯、乙酸乙酯、丙酮4種VOC在活性炭(比表面積1017m2/g)上的吸附等溫線(圖1)，發現飽和吸附容量分別為：甲苯0.323g/g;乙酸乙酯0.286g/g;苯0.278g/g;丙酮0.238g/g�？梢�，活性炭對不同VOC的飽和吸附量是不同的。
而沈秋月(同濟大學碩士論文，活性炭吸附VOCs及其脫附規律的研究，2007年)的JX-440型活性炭上的甲苯、丁酮、二甲基甲酰胺(DMF)動態吸附性能進行研究(表1)，甲苯飽和吸附容量大約0.18-0.22g/g;丁酮0.11-0.28g/g;DMF0.41-0.43g/g。吸附容量與VOC的入口濃度有關，入口濃度越低飽和吸附量就越小。與圖1對比，活性炭品種不同，吸附能力也不同。
在實際工況中，有機廢氣(VOCs)往往是很復雜的，有機物的成分很多。圖2是雙元VOCs(苯-甲苯)[大連輕工業學院學報，2007,26:152]在性炭纖維(ACF)吸附的穿透曲線，可見苯先開始穿透，在30分鐘達到最高值，經過5分鐘后，迅速下降到平衡濃度，吸附能力強的甲苯則在苯從最高點下降時開始穿透，濃度逐漸增大，然后活性炭纖維(ACF)達到吸附飽和，顯示出了兩組分在存在競爭吸附，ACF對甲苯的吸附能力高于苯，已被吸附的部分苯分子被甲苯從ACF表面置換出來，即吸附能力強的組分有置換吸附能力相對弱的組分的現象。這種現象在多組分VOCs體系中非常普遍[環境科學與技術，2012,35:160]。由于吸附過程組分間的競爭和置換作用的存在，使得VOCs在多元體系中的平衡吸附量均小于相同條件下單組分平衡吸附量。其中被置換組分降低程度更為顯著。因此。在復雜的實際工況中，應充分考慮有機物之間的競爭吸附，以提高吸附效率。
表2是活性炭纖維對甲苯的吸附性能[中國環境科學2016,36(7)：1981-1987]，可見吸附量明顯高于活性炭。也說明了活性炭纖維的循環4次后，效果下降比較明顯。重復循環使用性能關系到吸附劑能否長期使用的關鍵。
圖3是吸附溫度對活性炭纖維甲苯吸附性能的影響[中國環境科學2016,36(7)：1981-1987],可見吸附性能對溫度很敏感，溫度越高吸附量越低。因此，在實際使用時應盡量降低吸附溫度。
