吸附材料在揮發性有機物去除中的應用研究

關鍵詞：揮發性有機物（VOCs）；吸附材料；改性活性炭；協同改性；循環性能中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0041-03DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.009

Abstract： Inorder todevelop eficient Volatile OrganicCompounds （VOCs）adsorbent materials，anew typeofactivated carbonis prepared through multi-element synergistic modification，and its performance is evaluated through fixed bed adsorption experiments.Research has found that at a temperature of 25 °C ，nitrogen doped modified activated carbon has a maximum adsorption capacity of 298mg/g for toluene，and boron phosphorus synergistic modification significantly improves the material's moisture resistance.Modified activated carbon maintains 92% adsorption capacity after 1O cycles of adsorptiondesorption，withstable materialstructureandstrongselectivity，ithasimportantapplicationprospects inthefield of industrial VOCs treatment.

Keywords：VolatileOrganicCompounds（VOCs）;adsorbent material; modifiedactivatedcarbon;colaborativemodification; cycling performance

植被排放、森林火災、火山噴發等自然活動和汽車尾氣排放、工業燃煤、生物燃料燃燒等生產活動產生大量的揮發性有機物（VolatileOrganic Compounds，VOCs），對人體和環境有巨大的危害。工業生產排放的VOCs具有種類多、濃度低、危害大等特點，當前急需開發高效經濟的處理技術。吸附法憑借操作簡單、能耗低、效率高等優勢，在VOCs治理領域得到廣泛應用。傳統吸附材料在實際應用中存在選擇性差、耐濕性能弱等問題，開發新型高效吸附材料成為研究重點。多元素協同改性策略為提升材料性能提供新思路，在改善吸附容量的同時賦予材料獨特的選擇性，深入研究改性機制對指導材料設計具有重要意義。

1試驗部分

1.1 試劑和材料

試驗采用甲苯、丙酮和乙醇（均為分析純，純度大于 99.5% ）作為目標VOCs，載氣選用高純氮氣（純度大于 99.999% ），標準氣體為濃度 50×10^-6 的甲苯 /N₂ 混合氣[l。吸附材料制備過程選取農作物秸稈作為原料， 500^°C 氮氣氣氛下熱解 ^2h ，所得生物炭與KOH按 λ₁：λ₃ 的質量比混合， 800^°C 溫度下活化 ^1h ，鹽酸洗滌至中性，然后在 105° 溫度下干燥 ^12h ，得到原始活性炭（ActivatedCarbon，AC）。根據改性方法，以尿素為氮源，與活性炭按 ψ₁：ψ₂ 的質量比混合， 650°C 氮氣氣氛下熱處理 ^2h ，制得氮摻雜活性炭（N-AC）；采用相同方法，以硼酸和磷酸為前驅體制備硼摻雜活性炭（B-AC）和磷摻雜活性炭（P-AC），實現多元素協同改性。

1.2試驗裝置與測試方法

采用固定床吸附裝置評價VOCs吸附性能，裝置由氣體配制系統、吸附柱和檢測系統構成。內徑 10mm 的石英管吸附柱裝填 50mg 吸附劑，用氣相色譜儀在線監測VOCs濃度。吸附劑在 150°C 溫度下采用氮氣預處理 ^4h ，室溫下通入 50×10^-6V0Cs/N₂ 混合氣，流量為 100mL/min 時，開展條件試驗，系統評價溫度（ 15～45°C ）、相對濕度（ 0%～80% ）和初始濃度（ 10×10^-6～200×10^-6. ）對吸附性能的影響，通過穿透曲線計算吸附容量，結合 N₂ 吸脫附、X射線光電子能譜和傅立葉變換紅外吸收光譜，表征分析材料結構特征。

2不同吸附材料的性能研究

2.1吸附材料的結構表征

通過 N₂ 物理吸附-脫附試驗對改性前后的活性炭進行表征，結果顯示，原始活性炭（AC）的比表面積為 895m²/g ，孔容為 0.47cm³/g ，以微孔為主。氮摻雜后（N-AC）的比表面積和孔容分別增至1 247m²/g 和 0.68cm³/g ，同時在 2～5nm 形成大量介孔，這歸因于KOH活化過程中氮原子的摻入促進孔結構的發育[2-3]。X射線光電子能譜分析表明，N-AC含氮量達 4.82% ，主要以吡啶氮（能量 398.6eV ）和吡咯氮（能量 400.1eV ）形式存在，這些含氮官能團可作為活性位點，增強材料與VOCs的相互作用。硼、磷摻雜樣品（B-AC和P-AC）也表現出相似的孔結構演變趨勢，但官能團類型存在差異。傅立葉變換紅外吸收光譜顯示，改性后材料表面形成C-N、B-O、P-O等新的化學鍵，同時羧基、羥基等含氧官能團含量也有所增加，這種多元素協同改性策略顯著改變材料的表面化學性質。

2.2 吸附條件對去除效率的影響

研究表明，溫度、濕度和初始濃度這三個關鍵因素都會顯著影響VOCs的吸附效果。溫度試驗結果顯示，N-AC對甲苯的吸附容量隨溫度升高呈現下降趨勢，在 25^°C 時達到最大值（ 298mg/g ），表明物理吸附在整個去除過程中起主導作用，這與前文所述的材料結構特征相吻合。相對濕度是影響吸附效果最為顯著的環境因素。試驗發現，當相對濕度從 0% 提升至 80% 時，吸附容量出現大幅下降，降幅達 45% 。這種現象主要源于水分子與VOCs分子在吸附位點上的競爭作用，同時水分子的存在也阻礙了VOCs的擴散。值得注意的是，經過硼磷改性的B-AC和P-AC材料表現出優異的耐濕性能，即使在相對濕度達到65% 的條件下，其吸附容量降幅僅為 25%～30% 。這種良好的耐濕特性可歸因于硼磷基團能有效削弱水分的十擾作用，這從側面驗證了多元素協同改性策略的有效性。在初始濃度的影響研究中，試驗觀察到一個重要現象：隨著進氣濃度的升高，單位質量吸附量增大，但總體去除效率呈現下降趨勢。這一發現對實際工程應用具有重要指導意義，在工業廢氣處理過程中，需要通過合理優化接觸時間和床層高度等關鍵工藝參數，確保處理效果滿足環保要求。這也為后續的工程化應用研究指明了方向。

2.3改性處理對吸附性能的提升效果

多元素協同改性顯著提升活性炭的VOCs吸附性能。在溫度 25^°C 、初始濃度 50×10^-6 的條件下，N-AC、B-AC和P-AC對甲苯的飽和吸附量分別達到298、286、 275mg/g ，較原始AC（ 184mg/g ）提高 62% 、55% 和 49% 。吸附動力學分析顯示，改性樣品表現出更快的吸附速率和更短的達到平衡時間，這得益于發達的孔道結構和增強的表面相互作用[4]。特別是N-AC樣品，在前 30min 內就達到 90% 以上的飽和吸附量。吸附－解吸循環試驗表明，經過10次循環后，改性樣品仍保持良好的吸附性能和結構穩定性，吸附容量的損失不超過 8% 。值得注意的是，改性樣品對不同VOCs表現出差異的吸附選擇性，例如，N-AC對含氧VOCs（如丙酮）的吸附容量更高，而B-AC對芳香烴類VOCs具有更好的親和性，這為實際應用中的選擇性分離提供可能。

3 工程應用研究

3.1不同類型VOCs的適用性分析

通過對典型VOCs的吸附試驗，系統評估改性活性炭的選擇性吸附性能[5。試驗選取甲苯、丙酮和乙醇作為代表性目標物，覆蓋非極性芳香烴、極性含氧化合物等不同類型 VOCs 。結果表明，在相同操作條件下（溫度 25°C ，初始濃度 50×10^-6 ），N-AC對3種VOCs的吸附量排序為丙酮（ 325mg/g ） gt; 甲苯（ 298mg/g ） gt; 乙醇（ 265mg/g ）。這種選擇性主要源于材料表面官能團與不同VOCs分子的相互作用強度差異。經理論計算和光譜分析，含氧VOCs分子可與表面含氮官能團形成氫鍵，同時通過偶極－偶極作用增強吸附效果。B-AC和P-AC則表現出不同的選擇性規律，這為針對性處理不同類型VOCs提供材料選擇依據。

3.2 吸附－解吸循環性能評價

材料的循環再生性能是工程應用的關鍵指標。采用溫度程序解吸方法（溫度 150°C ， N₂ 氣氛）對飽和吸附劑進行再生，連續進行10次吸附－解吸循環測試，結果如圖1所示。結果顯示，N-AC在循環過程中表現出優異的結構穩定性和性能可持續性，第10次循環后對甲苯的吸附容量保持在初始值的92% 以上，解吸效率維持在 95% 左右。表征發現，循環后材料的比表面積僅降低 5% ，孔結構和官能團分布基本保持穩定。值得注意的是，不同溫度和氣體流速對解吸效果有顯著影響。優化后，確定最佳解吸條件，即升溫速率為 ，終溫為 150°C ，N₂ 流速為 200mL/min ，保溫時間為 60min ，在此條件下可實現吸附劑的高效再生。

圖1N-AC材料的吸附－解吸循環性能評價

3.3 工程化應用建議

基于實驗室研究結果，針對工業VOCs治理提出應用建議。首先，應根據廢氣特征選擇合適的改性吸附劑，例如，處理印刷行業含氧VOCs廢氣，可優先考慮N-AC，石化行業芳香烴類廢氣則適合使用B-AC進行處理。其次，優化工程設計參數，建議采用雙床切換運行模式，床層高度與直徑比控制在 2～3 ，氣體空速為 1000～2000h^-1 。再者，考慮到濕度影響，建議廢氣預處理確保相對濕度小于 50% ，必要時設置除濕單元。最后，解吸過程產生的高濃度VOCs可通過冷凝回收或催化燃燒處理，提高經濟性。成本分析表明，考慮材料制備、運行能耗和維護費用，改性活性炭的吸附處理成本為 15～20 元/千標立方米，具有較高的工程應用價值。

4結論

改性活性炭材料結構與吸附性能的系統研究揭示多元素協同改性顯著提升材料性能。試驗數據表明，材料的比表面積、孔結構和表面化學性質直接影響VOCs吸附效果。氮摻雜改性提高材料對含氧VOCs的選擇性，硼磷改性增強耐濕性能，但改性成本需要權衡。工程應用中，應結合廢氣特征選擇合適材料，通過優化操作參數提高處理效率。循環試驗證實，改性活性炭具有良好的再生性能。經濟性評估顯示其在工業VOCs治理中具有顯著優勢，為大氣污染防治提供新的技術方案。

參考文獻

1白振飛，余淼霏.揮發性有機物降解技術研究進展[J].遼寧化工，2024（11）：1708-1711.

2 李翠明.石化企業揮發性有機物（VOCs）治理方案[J].科技創新與應用，2024（35）：147-149.

3 李淑靜.基于木材干燥VOCs吸附的Mg-MOFs材料研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2021.

4劉帥，張亞妮，薛明，等.揮發性有機物（VOCs）吸附材料的研究進展[J].環境工程，2021（6）： 79-89.

5 余淼霏，杜勝男，張學佳，等.揮發性有機物吸附材料研究進展[J].現代化工，2022（11）：54-58.