李　橋，高嶼濤（.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都6007；.四川省環(huán)境保護(hù)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(jìn)展

李橋1，高嶼濤2
（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072；2.四川省環(huán)境保護(hù)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(jìn)展，分析了吸附材料在工業(yè)化應(yīng)用中村子的問(wèn)題，提出了吸附材料研究方向。

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）；吸附法；吸附材料

引言

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱［1］，美國(guó)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(duì)揮發(fā)性有機(jī)物定義為在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3kPa）下的沸點(diǎn)小于或等于250℃的有機(jī)化合物；世界衛(wèi)生組織（WHO）將揮發(fā)性有機(jī)物定義為室溫下飽和蒸汽壓高于133.322Pa、沸點(diǎn)在 50～260℃之間的有機(jī)化合物。雖然不同的組織機(jī)構(gòu)對(duì)VOCs的定義略有一定的差異，但總體來(lái)說(shuō)，VOCs主要是指在常溫常壓下，具有高飽和蒸汽壓和低沸點(diǎn)的有機(jī)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(wèn)題已經(jīng)引起全世界的高度重視。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)環(huán)保要求也越來(lái)越嚴(yán)格，近年來(lái)政府也開(kāi)始制定并實(shí)施控制VOCs排放的政策。吸附技術(shù)作為一種常見(jiàn)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(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吸附技術(shù)和吸附材料的研究進(jìn)展進(jìn)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(dá)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(lái)吸附不同的污染物質(zhì)。

席勁瑛等［3］調(diào)研了國(guó)內(nèi)外771個(gè)有效的工業(yè)有機(jī)廢氣的處理工程案例發(fā)現(xiàn)，從全球范圍來(lái)看，催化燃燒技術(shù)市場(chǎng)占有率分別為26%，吸附技術(shù)市場(chǎng)占有率分別為25%，生物處理技術(shù)市場(chǎng)占有率分別為24%，這三種技術(shù)是目前對(duì)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(chǎng)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(jī)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(jià)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(jī)氣體。根據(jù)席勁瑛的統(tǒng)計(jì)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(guó)家的市場(chǎng)占有率排第三位，而我國(guó)的市場(chǎng)占有率排第一位，高達(dá)38%。

2　VOCs吸附材料

國(guó)內(nèi)外對(duì)于VOCs吸附材料的報(bào)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(méi)有大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的報(bào)道。活性炭仍然是目前環(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于極小濃度的VOCs具有相對(duì)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(rùn)土

膨潤(rùn)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(rùn)土也可用于氣體有機(jī)污染物的去除。如，田森林等［10］研究了有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)苯、甲苯等20多種氣相VOCs物質(zhì)的吸附效果，表明有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)VOCs具有選擇性吸附。然而，膨潤(rùn)土對(duì)氣體中有機(jī)污染物的吸附能力相對(duì)于活性炭還較小，此外，作為氣體吸附劑的膨潤(rùn)土一般需要較高溫度的活化，因此大大限制其在氣體有機(jī)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(duì)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(tuán)、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(duì)苯、甲苯、丙酮可以起到明顯的通道效應(yīng)，使有機(jī)污染物質(zhì)能夠快速地進(jìn)入到活性炭微孔中，與吸附點(diǎn)位相結(jié)合，從而加快了吸附飽和過(guò)程；曹曉強(qiáng)等通過(guò)微波改性椰殼活性炭表面官能團(tuán)和表面結(jié)構(gòu)可以提高對(duì)甲苯的吸附性能；張夢(mèng)竹等利用堿改性椰殼活性炭表面結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)，發(fā)現(xiàn)增加比表面積和孔容，減少表面的含氧基團(tuán)有利于甲烷的吸附；LinLi等利用酸和減液來(lái)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(tuán)和親水基團(tuán)，可提高對(duì)VOCs的吸附容量；Chiang研究了活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和溫度對(duì)吸附能力的影響，發(fā)現(xiàn)活性炭對(duì)VOCs的吸附作用主要為物理吸附。

其次，活性炭對(duì)VOCs的吸附平衡測(cè)量和預(yù)測(cè)也一直是研究的重點(diǎn)，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(gè)再生循環(huán)使用周期后對(duì)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(shí)減小初始進(jìn)氣口甲苯濃度，活性炭的吸附時(shí)間增加，活性炭對(duì)甲苯的吸附效率顯著提高；張夢(mèng)竹等研究發(fā)現(xiàn)活性炭對(duì)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(duì)苯酚的吸附均可以用Langmuir吸附等溫線進(jìn)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(jìn)行描述；國(guó)內(nèi)其他一些研究也對(duì)顆粒狀、纖維狀、蜂窩狀活性炭吸附-脫附性能進(jìn)行了描述。

3　展望

吸附技術(shù)適于回收VOCs，是一種經(jīng)濟(jì)、符合清潔生產(chǎn)理念和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)情的選擇，因此在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。此外，吸附技術(shù)對(duì)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(jià)廉、環(huán)境友好的吸附材料正成為新的研究熱點(diǎn)。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(diǎn)，而一些工藝采取化學(xué)手段進(jìn)行活化，雖可降低部分能耗，但又存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)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(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)自然林禁伐，致使制備活性炭的原料受到極大地限制，價(jià)格也呈上漲趨勢(shì)。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(jià)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(jìn)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(guó)VOCs的排放特征及控制對(duì)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(yíng)，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(guó)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(ài)武.分子篩吸附脫除芳烴中的環(huán)狀烯烴［J］.化工進(jìn)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(bào)，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。