吸附法处理VOCs气体的吸附材料研究进展

李　桥，高屿涛（.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都6007；.四川省环境保护科学研究院，四川成都6004）

吸附法处理VOCs气体的吸附材料研究进展

李桥1，高屿涛2
（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072；2.四川省环境保护科学研究院，四川成都610041）

综述了近十年大气环境中VOCs气体的吸附法处理技术中的吸附材料研究进展，分析了吸附材料在工业化应用中村子的问题，提出了吸附材料研究方向。

挥发性有机物（VOCs）；吸附法；吸附材料

引言

挥发性有机物（VOCs）是一类有机化合物的统称［1］，美国环保署（EPA）将其定义为除CO、CO2、碳酸、金属碳化物或碳酸盐和碳酸铵外，所有参与大气光化学反应的碳化合物；欧盟（EU）对挥发性有机物定义为在标准大气压（101.3kPa）下的沸点小于或等于250℃的有机化合物；世界卫生组织（WHO）将挥发性有机物定义为室温下饱和蒸汽压高于133.322Pa、沸点在 50～260℃之间的有机化合物。虽然不同的组织机构对VOCs的定义略有一定的差异，但总体来说，VOCs主要是指在常温常压下，具有高饱和蒸汽压和低沸点的有机化学物质，主要包括各种烷烃、烯烃、含氧烃和卤代烃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污染问题已经引起全世界的高度重视。随着人们环保意识的提高，对环保要求也越来越严格，近年来政府也开始制定并实施控制VOCs排放的政策。吸附技术作为一种常见处理技术广泛应用VOCs气体处理中，得到了广大学者的关注。因此，本文对近年来国内外学者对吸附技术和吸附材料的研究进展进行了综述。

1　VOCs吸附技术

目前VOCs处理技术中应用最多的就是吸附技术。吸附技术是利用某些具有吸附能力的物质，如活性炭、沸石分子筛、活性氧化铝等吸附材料，吸附有害成分而达到消除有害污染的目的。吸附剂是吸附技术处理的关键。一般要求吸附剂应具有丰富的孔隙结构，较大的比表面积，并且化学性质和热稳定性好等。吸附剂总体上可以分为三类：含氧吸附剂、碳吸附剂与聚合物吸附剂。含氧吸附剂包含了如硅胶、沸石和金属氧化物；碳吸附剂主要为活性炭吸附材料；聚合物吸附剂主要是利用变聚合物的表面官能基来吸附不同的污染物质。

席劲瑛等［3］调研了国内外771个有效的工业有机废气的处理工程案例发现，从全球范围来看，催化燃烧技术市场占有率分别为26%，吸附技术市场占有率分别为25%，生物处理技术市场占有率分别为24%，这三种技术是目前对VOCs处理应用最普遍的技术；热力燃烧和等离子体技术市场占有率分别为10%和9%，居其次；而吸收技术仅为3%，膜分离与冷凝两者之和约为4%。从有机废气浓度看，冷凝与膜分离技术多用于处理很高浓度 （＞10000mg·m-3）的VOCs气体并回收VOCs；催化燃烧、热力燃烧技术多用于中等浓度（1000～2000mg·m-3）、且不具回收价值的气体；生物处理、等离子体多用于处理低浓度（＜2000mg·m-3）的有机气体。根据席劲瑛的统计数据，吸附技术是目前比较流行的VOCs处理技术，在欧美国家的市场占有率排第三位，而我国的市场占有率排第一位，高达38%。

2　VOCs吸附材料

国内外对于VOCs吸附材料的报道多以分子筛和活性炭为主，分子筛吸附剂用于VOCs气体的处理有一定的应用前景，但效果不如活性炭好，还没有大规模工业化生产的报道。活性炭仍然是目前环境污染治理的主要吸附剂。

2.1分子筛

分子筛是一种由硅、铝元素组成的人工合成沸石材料［4］。分子筛的孔径均匀且排列整齐，孔穴的体积占沸石晶体体积的一半以上，通常用于室内空气净化。刘林娇等研究表明USY 和HY分子筛对甲苯中的二聚环戊二烯（DCPD）具有一定的吸附脱除能力［5］；黄海风等考察了ZSM-5分子筛对四类VOCs（醇类、酯类、烃类、酮类）的吸附能力，结果发现分子筛对其小于孔道尺寸的小分子具有较好的吸附能力［6］。然而，分子筛只是对于极小浓度的VOCs具有相对较好的吸附效果，由于比表面积和孔道等原因，一般其吸附量要小于活性炭。

2.2膨润土

膨润土主要成分是蒙脱石，一种黏土矿物质，比表面积一般低于100m2·g-1，微孔体积也较活性炭小得多。一些研究表明，膨润土也可用于气体有机污染物的去除。如，田森林等［10］研究了有机膨润土对苯、甲苯等20多种气相VOCs物质的吸附效果，表明有机膨润土对VOCs具有选择性吸附。然而，膨润土对气体中有机污染物的吸附能力相对于活性炭还较小，此外，作为气体吸附剂的膨润土一般需要较高温度的活化，因此大大限制其在气体有机污染物处理的应用。

2.3活性炭

大量研究结果表明，活性炭材料对VOCs的吸附与其本比表面积、孔隙结构、亲水性、表面官能团、杂质含量等理化性质相关。例如，宋磊等研究发现活性炭的中孔结构对苯、甲苯、丙酮可以起到明显的通道效应，使有机污染物质能够快速地进入到活性炭微孔中，与吸附点位相结合，从而加快了吸附饱和过程；曹晓强等通过微波改性椰壳活性炭表面官能团和表面结构可以提高对甲苯的吸附性能；张梦竹等利用碱改性椰壳活性炭表面结构和表面官能团，发现增加比表面积和孔容，减少表面的含氧基团有利于甲烷的吸附；LinLi等利用酸和减液来改性椰壳活性炭发现，减少活性炭表面酸性含氧官能团和亲水基团，可提高对VOCs的吸附容量；Chiang研究了活性炭的孔隙结构和温度对吸附能力的影响，发现活性炭对VOCs的吸附作用主要为物理吸附。

其次，活性炭对VOCs的吸附平衡测量和预测也一直是研究的重点，出现了很多吸附模型。ShahIK等人研究发现活性炭经八个再生循环使用周期后对丙酮在内的吸附能力基本仍保持在95%以上；韩忠娟等考察蜂窝状活性炭吸附VOCs的吸-脱附性能结果表明，在规定出口甲苯浓度时减小初始进气口甲苯浓度，活性炭的吸附时间增加，活性炭对甲苯的吸附效率显著提高；张梦竹等研究发现活性炭对甲烷的吸附行为符合Langmuir等温吸附式；袁基刚等研究发现利用微波改性后的活性炭，其吸附苯酚的能力明显高于未改性的活性炭，且改性前后活性炭对苯酚的吸附均可以用Langmuir吸附等温线进行描述；赵文峰等研究发现秸秆活性炭和商品活性炭吸附甲苯能力相当，吸附均可以用Langmuir吸附等温线进行描述；国内其他一些研究也对颗粒状、纤维状、蜂窝状活性炭吸附-脱附性能进行了描述。

3　展望

吸附技术适于回收VOCs，是一种经济、符合清洁生产理念和国内经济实情的选择，因此在国内外得到广泛应用。此外，吸附技术对各种VOCs的吸附表现出一定的普适性和广泛性。在吸附技术中，物优价廉、环境友好的吸附材料正成为新的研究热点。虽然活性炭为目前主要的吸附剂，但活性炭制备及活化温度较高，存在能耗大的缺点，而一些工艺采取化学手段进行活化，虽可降低部分能耗，但又存在严重的环境污染问题，使得活性炭生产成本较高。此外，活性炭制备多以木材或燃煤等为原料，随着社会环保意识的增强，国家对自然林禁伐，致使制备活性炭的原料受到极大地限制，价格也呈上涨趋势。因此，以活性炭为主的吸附技术亟需寻求更加环保友好、价格低廉的新的吸附材料。

［1］刘志军，黄艳芳，刘金红.活性炭吸附法脱除VOCs的研究进展［J］.天然气化工（C1化学与化工），2014，39（2）：75～79.

［2］王铁宇，李奇锋，吕永龙.我国VOCs的排放特征及控制对策研究［J］.环境科学，2013，34（12）：4756～4763.

［3］席劲瑛，武俊良，胡洪营，王 灿.工业VOCs气体处理技术应用状况调查分析［J］.中国环境科学，2012，32（11）：1955～1960.

［4］翟 明.分子筛在石油化学工业中的应用［J］.石油化工，1976，5（3）：315～317.

［5］刘林娇，酆月飞，陈志华，鞠 吉，曾爱武.分子筛吸附脱除芳烃中的环状烯烃［J］.化工进展，2014，30（10）：2552～2556.

［6］黄海凤，戎文娟，顾勇义，常仁芹，卢晗锋.ZSM-5沸石分子筛吸附-脱附VOCs的性能研究［J］.环境科学学报，2014，34（12）：3144～3151.

X701

A

2095-2066（2016）25-0272-02

2016-8-20

李 桥（1985-），男，工程师，硕士，主要从事水环境与土壤环境污染治理工作。

高屿涛（1986-），女，工程师，硕士，主要从事污水及固体废物污染治理工作。