吸附法處理VOCs氣體的吸附材料研究進展

李　橋，高嶼濤（.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都6007；.四川省環(huán)境保護科學(xué)研究院，四川成都6004）

吸附法處理VOCs氣體的吸附材料研究進展

李橋1，高嶼濤2
（1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072；2.四川省環(huán)境保護科學(xué)研究院，四川成都610041）

綜述了近十年大氣環(huán)境中VOCs氣體的吸附法處理技術(shù)中的吸附材料研究進展，分析了吸附材料在工業(yè)化應(yīng)用中村子的問題，提出了吸附材料研究方向。

揮發(fā)性有機物（VOCs）；吸附法；吸附材料

引言

揮發(fā)性有機物（VOCs）是一類有機化合物的統(tǒng)稱［1］，美國環(huán)保署（EPA）將其定義為除CO、CO2、碳酸、金屬碳化物或碳酸鹽和碳酸銨外，所有參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物；歐盟（EU）對揮發(fā)性有機物定義為在標準大氣壓（101.3kPa）下的沸點小于或等于250℃的有機化合物；世界衛(wèi)生組織（WHO）將揮發(fā)性有機物定義為室溫下飽和蒸汽壓高于133.322Pa、沸點在 50～260℃之間的有機化合物。雖然不同的組織機構(gòu)對VOCs的定義略有一定的差異，但總體來說，VOCs主要是指在常溫常壓下，具有高飽和蒸汽壓和低沸點的有機化學(xué)物質(zhì)，主要包括各種烷烴、烯烴、含氧烴和鹵代烴等脂肪族和芳香族化合物，如苯、甲苯、二氯甲烷、甲醛和乙酸乙酯等［2］。VOCs污染問題已經(jīng)引起全世界的高度重視。隨著人們環(huán)保意識的提高，對環(huán)保要求也越來越嚴格，近年來政府也開始制定并實施控制VOCs排放的政策。吸附技術(shù)作為一種常見處理技術(shù)廣泛應(yīng)用VOCs氣體處理中，得到了廣大學(xué)者的關(guān)注。因此，本文對近年來國內(nèi)外學(xué)者對吸附技術(shù)和吸附材料的研究進展進行了綜述。

1　VOCs吸附技術(shù)

目前VOCs處理技術(shù)中應(yīng)用最多的就是吸附技術(shù)。吸附技術(shù)是利用某些具有吸附能力的物質(zhì)，如活性炭、沸石分子篩、活性氧化鋁等吸附材料，吸附有害成分而達到消除有害污染的目的。吸附劑是吸附技術(shù)處理的關(guān)鍵。一般要求吸附劑應(yīng)具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，并且化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性好等。吸附劑總體上可以分為三類：含氧吸附劑、碳吸附劑與聚合物吸附劑。含氧吸附劑包含了如硅膠、沸石和金屬氧化物；碳吸附劑主要為活性炭吸附材料；聚合物吸附劑主要是利用變聚合物的表面官能基來吸附不同的污染物質(zhì)。

席勁瑛等［3］調(diào)研了國內(nèi)外771個有效的工業(yè)有機廢氣的處理工程案例發(fā)現(xiàn)，從全球范圍來看，催化燃燒技術(shù)市場占有率分別為26%，吸附技術(shù)市場占有率分別為25%，生物處理技術(shù)市場占有率分別為24%，這三種技術(shù)是目前對VOCs處理應(yīng)用最普遍的技術(shù)；熱力燃燒和等離子體技術(shù)市場占有率分別為10%和9%，居其次；而吸收技術(shù)僅為3%，膜分離與冷凝兩者之和約為4%。從有機廢氣濃度看，冷凝與膜分離技術(shù)多用于處理很高濃度 （＞10000mg·m-3）的VOCs氣體并回收VOCs；催化燃燒、熱力燃燒技術(shù)多用于中等濃度（1000～2000mg·m-3）、且不具回收價值的氣體；生物處理、等離子體多用于處理低濃度（＜2000mg·m-3）的有機氣體。根據(jù)席勁瑛的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，吸附技術(shù)是目前比較流行的VOCs處理技術(shù)，在歐美國家的市場占有率排第三位，而我國的市場占有率排第一位，高達38%。

2　VOCs吸附材料

國內(nèi)外對于VOCs吸附材料的報道多以分子篩和活性炭為主，分子篩吸附劑用于VOCs氣體的處理有一定的應(yīng)用前景，但效果不如活性炭好，還沒有大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的報道?；钚蕴咳匀皇悄壳碍h(huán)境污染治理的主要吸附劑。

2.1分子篩

分子篩是一種由硅、鋁元素組成的人工合成沸石材料［4］。分子篩的孔徑均勻且排列整齊，孔穴的體積占沸石晶體體積的一半以上，通常用于室內(nèi)空氣凈化。劉林嬌等研究表明USY 和HY分子篩對甲苯中的二聚環(huán)戊二烯（DCPD）具有一定的吸附脫除能力［5］；黃海風(fēng)等考察了ZSM-5分子篩對四類VOCs（醇類、酯類、烴類、酮類）的吸附能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分子篩對其小于孔道尺寸的小分子具有較好的吸附能力［6］。然而，分子篩只是對于極小濃度的VOCs具有相對較好的吸附效果，由于比表面積和孔道等原因，一般其吸附量要小于活性炭。

2.2膨潤土

膨潤土主要成分是蒙脫石，一種黏土礦物質(zhì)，比表面積一般低于100m2·g-1，微孔體積也較活性炭小得多。一些研究表明，膨潤土也可用于氣體有機污染物的去除。如，田森林等［10］研究了有機膨潤土對苯、甲苯等20多種氣相VOCs物質(zhì)的吸附效果，表明有機膨潤土對VOCs具有選擇性吸附。然而，膨潤土對氣體中有機污染物的吸附能力相對于活性炭還較小，此外，作為氣體吸附劑的膨潤土一般需要較高溫度的活化，因此大大限制其在氣體有機污染物處理的應(yīng)用。

2.3活性炭

大量研究結(jié)果表明，活性炭材料對VOCs的吸附與其本比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、親水性、表面官能團、雜質(zhì)含量等理化性質(zhì)相關(guān)。例如，宋磊等研究發(fā)現(xiàn)活性炭的中孔結(jié)構(gòu)對苯、甲苯、丙酮可以起到明顯的通道效應(yīng)，使有機污染物質(zhì)能夠快速地進入到活性炭微孔中，與吸附點位相結(jié)合，從而加快了吸附飽和過程；曹曉強等通過微波改性椰殼活性炭表面官能團和表面結(jié)構(gòu)可以提高對甲苯的吸附性能；張夢竹等利用堿改性椰殼活性炭表面結(jié)構(gòu)和表面官能團，發(fā)現(xiàn)增加比表面積和孔容，減少表面的含氧基團有利于甲烷的吸附；LinLi等利用酸和減液來改性椰殼活性炭發(fā)現(xiàn)，減少活性炭表面酸性含氧官能團和親水基團，可提高對VOCs的吸附容量；Chiang研究了活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和溫度對吸附能力的影響，發(fā)現(xiàn)活性炭對VOCs的吸附作用主要為物理吸附。

其次，活性炭對VOCs的吸附平衡測量和預(yù)測也一直是研究的重點，出現(xiàn)了很多吸附模型。ShahIK等人研究發(fā)現(xiàn)活性炭經(jīng)八個再生循環(huán)使用周期后對丙酮在內(nèi)的吸附能力基本仍保持在95%以上；韓忠娟等考察蜂窩狀活性炭吸附VOCs的吸-脫附性能結(jié)果表明，在規(guī)定出口甲苯濃度時減小初始進氣口甲苯濃度，活性炭的吸附時間增加，活性炭對甲苯的吸附效率顯著提高；張夢竹等研究發(fā)現(xiàn)活性炭對甲烷的吸附行為符合Langmuir等溫吸附式；袁基剛等研究發(fā)現(xiàn)利用微波改性后的活性炭，其吸附苯酚的能力明顯高于未改性的活性炭，且改性前后活性炭對苯酚的吸附均可以用Langmuir吸附等溫線進行描述；趙文峰等研究發(fā)現(xiàn)秸稈活性炭和商品活性炭吸附甲苯能力相當(dāng)，吸附均可以用Langmuir吸附等溫線進行描述；國內(nèi)其他一些研究也對顆粒狀、纖維狀、蜂窩狀活性炭吸附-脫附性能進行了描述。

3　展望

吸附技術(shù)適于回收VOCs，是一種經(jīng)濟、符合清潔生產(chǎn)理念和國內(nèi)經(jīng)濟實情的選擇，因此在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。此外，吸附技術(shù)對各種VOCs的吸附表現(xiàn)出一定的普適性和廣泛性。在吸附技術(shù)中，物優(yōu)價廉、環(huán)境友好的吸附材料正成為新的研究熱點。雖然活性炭為目前主要的吸附劑，但活性炭制備及活化溫度較高，存在能耗大的缺點，而一些工藝采取化學(xué)手段進行活化，雖可降低部分能耗，但又存在嚴重的環(huán)境污染問題，使得活性炭生產(chǎn)成本較高。此外，活性炭制備多以木材或燃煤等為原料，隨著社會環(huán)保意識的增強，國家對自然林禁伐，致使制備活性炭的原料受到極大地限制，價格也呈上漲趨勢。因此，以活性炭為主的吸附技術(shù)亟需尋求更加環(huán)保友好、價格低廉的新的吸附材料。

［1］劉志軍，黃艷芳，劉金紅.活性炭吸附法脫除VOCs的研究進展［J］.天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2014，39（2）：75～79.

［2］王鐵宇，李奇鋒，呂永龍.我國VOCs的排放特征及控制對策研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34（12）：4756～4763.

［3］席勁瑛，武俊良，胡洪營，王 燦.工業(yè)VOCs氣體處理技術(shù)應(yīng)用狀況調(diào)查分析［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（11）：1955～1960.

［4］翟 明.分子篩在石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用［J］.石油化工，1976，5（3）：315～317.

［5］劉林嬌，酆月飛，陳志華，鞠 吉，曾愛武.分子篩吸附脫除芳烴中的環(huán)狀烯烴［J］.化工進展，2014，30（10）：2552～2556.

［6］黃海鳳，戎文娟，顧勇義，常仁芹，盧晗鋒.ZSM-5沸石分子篩吸附-脫附VOCs的性能研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，34（12）：3144～3151.

X701

A

2095-2066（2016）25-0272-02

2016-8-20

李 橋（1985-），男，工程師，碩士，主要從事水環(huán)境與土壤環(huán)境污染治理工作。

高嶼濤（1986-），女，工程師，碩士，主要從事污水及固體廢物污染治理工作。