如何选择VOC吸附系统：碳，沸石还是聚合物（一）

什么是吸附剂

我们现在谈论的是吸附剂，不是吸收剂。污染物质被吸附在吸附材料的表面（一般是内表面），两者之间不发生化学反应，这是吸附剂和吸收剂最主要的区别。污染物质会按一定规律致密地附着在吸附剂表面，并且能够较为容易的靠加热和负压脱附下来。与之相比，吸收剂会和被吸收物质发生化学反应，这种反应会使被吸收物质和吸收剂结合非常紧密，必须要大量的能量才能使被吸收物质重新释放出来。

不幸的是，1920年以前，吸附作用还不被人们了解，以至于有一种吸附剂被错误的命名为“碳吸收剂”。然而现在它有一个更合适的名称“活性炭”。活性炭是由煤炭、木头、树皮、椰子皮等等经过高温活化，气化掉有机物质之后制作而成。活性炭也可以经过特殊氧化以扩大其微孔。

另一种吸附剂是被称为“沸石”的硅酸铝盐晶体结构物质，它具有大小一致的微孔。根据硅酸盐晶体结构中硅原子与铝原子的比例，科学家们定义118种沸石的类型。所有自然界生成的沸石都是亲水性的（对极性分子比如水有很强的亲和力）并且含有铝。自然沸石脱铝后就会变成疏水性的（对非极性分子有很强的亲和力，比如大多数VOC）。在不改变沸石晶体结构的情况下，通过化学置换反应用硅置换铝从而脱铝。

尺寸在1微米到1毫米以内的疏水性沸石晶体都是可以人工合成，并且为了减小对气流的阻力，沸石晶体还可以粘接成较大的颗粒物。然而合成的成本是很高的，通常制造疏水性沸石和特定大孔径沸石催化剂时才用合成的方法。

高分子聚合物吸附剂在被生产时就自带毛孔。这些毛孔尺寸大小不一，小的可到分子尺寸，但是它最小的毛孔尺寸要比活性炭的微孔尺寸大。高分子聚合物一般呈颗粒状或者珠状，它的名字就是通常说的树脂。观察发现它的脱附速度要比碳的快。比如，对于那些能发生自聚合的VOC就不适合用活性炭来吸附，然而用高分子聚合物吸附剂来吸附效果就要好很多。

对应不同的工况选择正确的吸附剂并不是一件简单的事。后面我们将讨论几个相关的问题来熟悉不同的吸附剂和系统。

为什么吸附剂很重要

吸附剂主要被用在VOC减排的环保行业。VOC减排一般是指将VOC的浓度从400至2000ppm减小到50ppm。最新的吸附技术能够处理浓度范围在20ppm到1/4爆炸下限的VOC废气。更低浓度的废气不管用吸附技术或者其他的技术处理起来都很难或者经济效益不好。更高浓度的废气，吸附技术配合焚烧炉、膜分离器或者冷凝器在经济上是可行的。

除了排放控制之外，使用吸附系统对VOC进行回收也是可能的。可重复使用的或者市场效益很好的VOC，回收之后能够显著的抵消掉一部分环保减排的成本。吸附系统能够浓缩VOC废气提高其浓度，然后再配合焚烧炉焚烧处理、或者膜分离技术回收、或者冷凝器回收，这些组合工艺在经济上都是可行的。

吸附系统是如何工作

VOC一般是能够在吸附剂表面冷凝附着的有机气态污染物。当吸附剂饱和之后，就需要将VOC从吸附剂上解吸下来，从而使吸附剂再生。解吸下来的VOC气体一般浓度都很高，然后再经过回收或者破坏法进一步处理。所有的吸附系统我们都可以认为是一套可以从低浓度吸附VOC气体然后高浓度解吸的系统，也可以被认为是一套能够从废气里面分离VOC污染物的设备。

VOC废气的实际浓度是何时以及如何使用吸附剂的关键。如果VOC的浓度过低，VOC就不能被有效的吸附，从而吸附系统就会变得几乎无用。但是它也能够提高回收的VOC气体浓度。安全因素限制VOC废气浓度必须控制在1/4爆炸下限以下。如果VOC废气浓度接近1/4爆炸下限，那么使用焚烧炉、膜分离系统或者冷凝器回收都是非常经济适用的。然而，如果VOC浓度低于1/4下爆限，则有可能需要额外的燃料来辅助燃烧。所以，随着VOC浓度的降低，吸附量低于1/4下爆限后，就可能需要添加更多的燃料来保证燃烧炉进行充分燃烧。

污染物是如何被吸附的

图1表示的是吸附在吸附剂表面上的某个分子，以及分子与该表面之间的距离。该分子原子里的电子层和该表面原子里的电子层之间存在着排斥力和范德瓦尔斯核引力。但是范德瓦尔斯核引力的有效半径更小，所以分子与表面之间的势能在某个距离内（纳米级别）会存在一个地洼区，如图2所示。当分子或者原子与表面之间的距离到达这个地洼区的时候，就会被表面捕获或者说吸附，直到该分子或者原子能够获得足够的动能从这个地洼区逃逸出去，动能转变成势能，你从地面往上起跳也是一样的转变过程。当然，必须要有足够的动能，该分子才能逃逸或者脱附出去。分子的动能大小我们用温度来表示，温度越高的物质分子动能越大。

纵观历史，炭是人类发现的第一种具有吸附性质内表面积的物质。沸石和吸附树脂是最近被发现的具有相同性质的吸附材料。数十年前我们就已经知道，制造玻璃过程中，在高真空环境下，熔融玻璃会释放出吸附的气泡。这些吸附材料有一个共同的特性，单位质量的吸附材料内部会有巨大的内表面积，很容易的吸脱附物质。

什么是脱附？

脱附过程可以通过高温和高负压来实现的。根据物质的动力学理论，加热能使物质分子的动能增加，从而使被加热物质分子逃离吸附剂物质表面。我们可以使用蒸汽、高温氮气或者是微波等方式加热吸附剂。如果用高负压来脱附回收，被吸附物质分子在某一时刻会有足够的能量来逃离吸附剂表面，此刻分子的冲击力不会使它弹回势能地洼区。所以，可以通过两种方法来进行脱附过程，加热吸附剂物质或者使吸附剂物质处于高负压环境中。在吸附和脱附中间会有一个平衡点。

给予被吸附物质分子足够的动能来逃离或者脱附只是吸附剂再生的一个步骤。吸附剂的再生必须确保吸附剂未饱和并且再生的吸附剂还能再次使用。再生的吸附剂必须干燥并且冷却，否则就需要准备新的吸附剂来吸附VOC了。

什么是等温吸附线

每种吸附剂在不同的温度下吸附能力是不同的，我们可以绘制出等温吸附线。以活性炭为例，以前人们都是实际测量给定温度下单位质量（磅）吸附剂能吸附多少质量的污染物（磅）。其实，吸附等温线就是污染物浓度和蒸汽分压的相关函数，也是和吸附剂环境总压的相关函数。吸附剂的吸附量也是和气体压力有关系的，越高的气压，吸附的量越多。吸附等温线仍被定义为每磅吸附剂可以吸附的物质的磅数。

热脱附再生系统用到温度等温线，真空脱附再生系统用到总压/分压等温线；变压脱附再生系统用到总压等温线。其实“等温线”是以上所有变量的相关函数。因此，“等温线”绘制出来的话是一个复杂的至少是三维的面，而不是一个常量或者二维双向表。等温线可以是线性函数也可以是高度非线性函数，这都取决于吸附剂、压力和被吸附物质的属性。

吸附等温线也是VOC分子所能到达的吸附面积的函数。表面的毛孔允许被吸附物质进入吸附剂的内部区域，而我们所说的吸附面积正是吸附剂内部微孔内面积。活性炭表面有毛孔，毛孔里面还有更小的微孔。更小的孔会在内部无限延伸，而大部分的内部表面积都在这些微孔中。沸石具有均匀的孔隙，是晶体结构的一部分。聚合物的孔径范围很广，但通常缺乏非常小的微孔。因此，对每种吸附剂和每种污染物的吸附等温线都是不同的。

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Tags: RTO, 有机废气, 松洈环保, 沸石转轮, 活性炭吸附, 蓄热焚烧炉

很好的资料，谢谢分享

吸附是个非常复杂的过程，VOCs进行深度处理可不可以？当然可以！

聚合物吸附催化氧化法治理喷漆房VOC算不算深度治理

同类用沸石，聚合的不适合吸附，气体的用活性炭吸附。

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VOC吸附用沸石分子筛推荐

swc2015 发表于 2018-6-22 14:40
同类用沸石，聚合的不适合吸附，气体的用活性炭吸附。

二甲胺、二乙胺等胺类用何种吸附剂？