VOCs吸附性能有哪些影响因素？

VOCs吸附材料种类繁多，包括活性炭、树脂、硅胶、氧化铝球、沸石等等。吸附材料对VOCs的吸脱附性能受到多种因素的影响，主要包括吸附剂的结构参数、VOCs气体分子的性质以及外界条件等。以下详细解释这些影响因素：

1、比表面积和孔结构

比表面积提供了吸附过程发生的场所，增加了吸附剂与VOCs发生作用的概率。较大的比表面积意味着更好的吸附性能，可以通过打开或形成新的孔来增加吸附剂的比表面积。适当的酸处理和碱处理可以有效地增大材料的表面积，提高其吸附能力。

然而，过量的酸碱处理可能会导致孔洞破坏或塌陷，从而减少表面积。研究发现，比表面积最高的活性炭并不总是表现出对有机化合物最好的吸附能力，这表明材料对VOCs吸附的影响因素是多样的。以活性炭为例，研究比表面积和孔结构对吸附能力的影响，结果表明VOCs的吸附主要受孔道扩散控制，且较低的吸附剂填充密度意味着更容易穿透。 碳质吸附材料的微观结构，特别是孔径分布，决定了其对VOCs的吸附能力。研究发现，制备原料和条件会影响材料的比表面积和孔特性。不同的活化温度对多孔炭材料的物理结构有显著影响，随着活化温度的升高，炭材料的孔隙结构经历了从低到高再到低的变化过程。

 一般来说，微孔是吸附的主要部位，但在狭窄的孔隙中，扩散阻力增大，可能导致较低的吸附率；中孔则增强了颗粒内的扩散，缩短了吸附时间。因此，吸附材料的孔径决定了能被吸附的VOCs分子的大小。根据尺寸排阻理论，只有当孔隙直径大于VOCs分子的直径时，VOCs分子才能进入吸附材料的孔隙。因此，最佳吸附发生在孔径与吸附质分子尺寸相匹配的地方，微孔有利于吸附小体积的VOCs，而中孔等大孔隙则更适合吸附大分子的VOCs。对于相同类型的VOCs，分子的直径越大，吸附剂之间孔壁的叠加性越强，吸附键能也越强，因此大分子的VOCs表现出较低的吸附能力。 通过使用色谱法和热重法研究了正己烷、甲苯、乙酸乙酯等不同目标物质在活性炭、5A、NaY、13X等吸附剂上的吸脱附行为，并进行了热力学研究。

研究发现，物理吸附的作用力大小与吸附剂的孔径分布和分子直径相关。当吸附质分子靠近吸附剂表面时，固体表面与分子之间会发生相互作用。当分子处于两个表面之间时，会产生势能叠加，狭缝孔的势能叠加更大，而圆柱或球形孔的势能较小。活性炭主要具有裂缝孔的孔形状，而分子筛具有多维孔体系，孔形状较为复杂。

2、表面化学性质

吸附材料表面的化学官能团对VOCs的吸附起着重要作用。不同种类和数量的化学官能团会对VOCs的吸附能力和选择性产生影响。通过对吸附剂进行表面化学修饰可以改变其对VOCs的吸附性能和选择性。例如，碳质吸附剂的表面官能团与原料的性质、加热、化学和电化学处理等活化或改性方法有关，不同的改性方法会导致不同的表面化学官能团的形成。 吸附剂的表面官能团中的杂原子（如氧、氮、卤素、氢等）决定了吸附剂的表面化学性质。

其中，氧和氮基团在多孔碳材料上被认为是吸附过程中最重要的物种。氧基团主要包括酸性、碱性和中性三种类型，如—COOH、—OH、—C=O、—CO和—COO—等，它们与氧化程度有关。羧基和羟基表现出较强的电子吸引能力，因此与氧化相有关。一般来说，液相氧化有助于羧酸的形成，而气相氧化促进羟基和羰基的生成。大多数氧基是表面酸性的来源，这有助于亲水性VOCs在碳表面上的吸附。氧基的存在可能抑制疏水性VOCs与碳质吸附剂上的π电子富区之间的特定相互作用。

因此，疏水性VOCs更喜欢吸附在没有表面氧基团的活性炭上。含氮基团通常是通过处理氨、硝酸和含氮化合物引入的，主要表现为碱性。 此外，负载在活性炭上的过渡金属的化学状态对提高低温下VOCs的吸附能力也起着重要作用。目前，金属改性活性炭技术主要用于处理小分子质量的污染物，如甲醛、甲苯等。对于一些大分子质量的VOCs的应用，仍需要进一步研究。

3、外界检测环境

除了吸附剂和吸附质的影响外，外界条件如温度、湿度等也对VOCs的吸附性能产生一定影响。温度对VOCs的吸附影响较为明显。根据HJ 644—2013标准，环境空气中挥发性有机物的吸附管采样温度不超过40 ℃。根据HJ 734—2014标准，固定源污染废气中VOCs的吸附材料采用的是由Tenax GR、Carbopack B、Carbopack C和Carboxen 1000组成的复合吸附材料，吸附采样温度为0～5 ℃。对于一些低沸点VOCs成分的吸附富集，通常需要更低的温度，比如C2组分的采样富集通常需要低于-100 ℃的低温。

近年来，已经发展出了使用-76 ℃的低温冷阱来实现对C2和C2以上低沸点烃的富集。 当实际取样环境为高湿度环境时，且目标吸附质和水在吸附剂表面上存在竞争吸附时，水的吸附将对VOCs的吸附产生巨大的影响。因此，在捕集之前通常需要添加除水步骤，以减少水蒸气引起的影响。此外，许多研究者通过改性吸附材料来提高其性能。