吸附材料对VOCs吸附性能的关键影响要素探究

吸附材料表面积为吸附过程提供了场所，增加了吸附剂与VOCs发生作用的概率，比表面积大意味着吸附性能优越，一般通过打开闭孔或形成新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扩大材料的表面积，提高其吸附能力，但过量的酸碱也可能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zuihao的吸附能力，这证明了材料对VOCs的吸附受到多种因素的影响。以活性炭为吸附剂，考察比表面积和孔结构对吸附能力的影响，结果表明对VOCs的吸附主要受孔道扩散控制，且吸附剂的填充密度越小越容易穿透。 

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其比表面积和孔特性。不同活化温度对多孔炭材料物理结构的影响规律，发现活化温度对孔径的影响较为显著，随着活化温度的升高，炭材料的孔隙结构经历从低到高又到低的过程。 

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，也会导致吸附率较低；中孔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的分子直径时，VOCs分子才能进入吸附材料的孔隙。因此，zuijia吸附发生在孔径与吸附质分子尺寸相匹配的地方，微孔有利于小体积VOCs的吸附，中孔等大孔隙更适合大分子VOCs的吸附。对于同一类型的VOCs，分子的直径越大，吸附剂之间孔壁的叠加性越强；吸附键能越强，VOCs的吸附能力越大，较大的VOCs分子表现出较低的吸附能力。 

除形态结构外，吸附材料表面的化学官能团也对VOCs的吸附起作用，其种类和数量对VOCs的吸附能力有很大影响，吸附剂的表面化学修饰可以改变其对VOCs的吸附能力和选择性。例如碳质吸附剂的表面官能团既与原料的性质有关，也与加热、化学和电化学处理等活化或改性方法有关，不同改性方法得到的表面化学官能团不同。

表面官能团的杂原子决定着吸附剂的表面化学性质，杂原子主要包括氧、氮、卤素、氢等，其中多孔碳上的氧和氮基团被认为是吸附过程中最重要的物种。氧基有3种不同类型，分别是酸性、碱性和中性，酸性官能团有—COOH、—OH、—C=O、—CO和—COO—，其与氧化相有关，其中羧基和羟基表现出较强的电子吸收能力。 

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，有助于亲水性VOCs黏附在碳表面上，由酸和臭氧氧化是在碳材料上引入表面氧基最有效的方法。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氨、硝酸和含氮化合物的处理引入的，主要表现为碱性。 

除吸附剂和吸附质带来的影响外，温度、湿度等外界条件对VOCs的吸附性能也有一定的影响，温度对VOCs吸附的影响较为明显。HJ 644—2013标准中针对环境空气的挥发性有机物的吸附管采样规定，吸附管的采样温度不超过40 ℃；HJ 734—2014标准中针对固定源污染废气VOCs使用的吸附材料是Tenax GR、Carbopack B、Carbopack C以及Carboxen 1000组成的复合吸附材料，吸附采样温度为0～5 ℃。若要实现对一些低沸点VOCs组分的吸附富集，所需要的温度更低，如C2组分的采样富集通常需要-100 ℃以下的低温，近几年才发展到用-76 ℃的低温冷阱，实现了对C2和C2以上低沸点烃的富集。