VOCs治理工程中活性炭类吸附剂的选择

我们在采用吸附法处理VOCs的工程中，常常会用到活性炭类吸附剂。因为活性炭类吸附剂属于非极性吸附剂，与沸石分子筛、硅胶、活性氧化铝等吸附剂相比，对于VOCs来说，它具有吸附物质种类多、吸附容量大的特点，因此，在处理VOCs的工程上得到了广泛的应用。但是，由于活性炭种类繁多，在应用活性炭类吸附剂时如何正确地选择，是每个吸附器设计者必然面对的问题。

一、活性炭类吸附剂的分类

活性炭是许多具有吸附性能的碳基物质的总称。活性炭的原料是几乎所有的含碳物质。如煤、木材、骨头、果核、坚硬的果壳（如椰壳、核桃壳等），以及废纸浆、废树脂等，将这些含碳物质在低于878K下进行炭化，再用水蒸汽或热空气进行活化处理（还有用氯化锌、氯化镁、氯化钙、磷酸来代替热蒸汽作活化剂的），而得到活性炭。

活性炭的种类较多，按原料来源主要分三大类：煤质炭、果壳类和木质类。而按照活性炭的用途分，你就更多了。世界各国生产的活性炭品种多达数千种，几十个牌号。用于处理VOCs的活性炭类吸附剂大致分为三类：颗粒活性炭、蜂窝活性炭和活性炭纤维。粉炭多用于水处理和液体的脱色处理。

二、活性炭吸附剂的特点

活性炭是一种非极性吸附剂，具有疏水性和亲有机物的性质，它能吸附绝大部分有机气体，如苯类、醛酮类、醇类、烃类等以及恶臭物质，因此，活性炭常被用来吸附有机溶剂和处理恶臭物质。经过活化处理的活性炭，比表面积一般可达500～1700m2／g，具有优异和广泛的吸附能力。炭分子筛是新近开发的一种孔径均一的分子筛型活性炭新品种，孔径一般在150nm以下，具有良好的选择性吸附能力。

1、颗粒活性炭

普通颗粒活性炭孔径不均一，其中绝大多数为小孔，孔径一般在15nm以下，除此之外，还有少量的中孔和大孔。正是由于活性炭的孔径范围宽，它适用于几乎所有有机气体的吸附，即使对一些极性吸附质，仍然表现出了它的优良的吸附能力，如在SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等有害气体治理中，有着广泛的用途。因此，在吸附操作中，活性炭是一种首选的优良吸附剂。为了适应一些大分子混合物的吸附处理，近些年又出现了以中孔为主的活性炭，这类活性炭在处理汽油、石脑油等这些含有大分子的混合尾气中发挥出了它独特的优势。

2、蜂窝活性炭

蜂窝活性炭是把粉末状活性炭、水溶性粘合剂、润滑剂和水等经过配料、捏合后挤出成型，再经过干燥、炭化、活化后制成的蜂窝状吸附材料。蜂窝活性炭的吸附性能基本上等同于颗粒活性炭，与普通的颗粒活性炭相比，它的优点是阻力小，适合处理大风量的气体。

3、活性炭纤维

活性炭纤维是利用超细纤维如粘胶纤维丝、酚醛或腈纶纤维丝等制成粘状、布状或绳状，然后再经过高温（950℃以上）炭化—活化制成。比表面积达1000~2500 m2/g。同时，由于其微孔都开在纤维细丝表面，因而孔道极短，与颗粒活性炭比相差2~3个数量级。同时，孔径均一，绝大多数为特别适合气体吸附的2nm左右的微孔，因而具有更大的有效比表面积。根据Langmuir吸附理论，吸附剂的吸附容量是和它的比表面积成正比的，据文献介绍，它的吸附容量是普通颗粒活性炭的1～40倍，吸附速率是颗粒活性炭的10～100倍，又加

上孔道极短，使得活性炭纤维吸附和脱附速率高；同时，使得吸附床层内不易积水。另外，活性炭纤维使用寿命长，在同等条件下，是普通颗粒活性炭的3～4 倍，大大延长了设备的使用寿命，相比之下，使设备的年均投资大为降低。因此，活性炭纤维在吸附VOCs工程中得到了广泛的应用。

三、处理VOCs工程中活性炭吸附剂的选择

1、选择原则

在VOCs处理中，对活性炭吸附剂选择的原则是：根据所吸附的有机气体的分子动力学直径去选择具有合适孔径的活性炭，其次再去考虑吸附剂的比表面积。目前在对活性炭吸附能力的评价指标中，给出了许多指标，如吸苯率、碘值、CTC（四氯化碳值）、丁烷值等，笔者认为，在所有指标中，只有活性炭的比表面积才是最靠谱的，而其它的评价指标都是在特定条件下测定的，而那些特定条件与你的具体工程实际很难一致，所以，那些指标在选择吸附剂时只能作为参考，而比表面积才是活性炭吸附能力的重要指标。

这里还必须强调一下，活性炭的比表面积所指的是有效比表面积。由于活性炭的制备条件不同，造成了它里面的孔道不均匀，有些孔道的孔口过于狭窄，虽然孔道内的尺寸较大，但是由于孔口较小，使得吸附质分子无法进入，因此，在活性炭比表面积概念中就出现了有效比表面积的概念。因此，当你利用比表面积的指标去选择活性炭时，为了准确选择，建议大家最好对吸附剂的比表面积进行一下实际测定（GB/T 7702.21-1997 煤质颗粒活性炭试验方法--比表面积的测定 ）。

2、处理VOCs工程中，对三种活性炭吸附剂的选择

（1）如果你的工程中所处理的有机物成分比较单一，确认不含分子动力学直径超过2nm的大分子物质，建议你最好选择活性炭纤维作吸附材料。因为它吸附容量大，吸附速度快，极易脱附，而且使用寿命长。在一些场合，采用水蒸气脱附后，可以不用干燥，直接转入吸附程序。尤其适用于中、高浓度废气的回收上，表现出很大的优越性，尤以节能方面最为突出，在采用水蒸气脱附时，它的蒸汽耗量只有普通颗粒活性炭的20%-25%。

 在这里有必要提醒一句：活性炭纤维是吃“细粮”的，即它只适应于分子动力学直径小于2nm的气体的吸附。

（2）在处理混合的、而且成分比较复杂的有机气体时，比如大量的包装印刷行业、喷漆行业、涂布行业等产生的有机废气，在作好前处理的前提下，建议采用普通颗粒活性炭，因为它具有很宽的孔径，能够适应多种分子动力学直径的有机分子的吸附。

（3）对于一些特大分子的混合物，如汽油、石脑油等，建议采用中孔活性炭作吸附材料。因为它的内部含有大量的中孔，可以适应大分子的吸附。

（4）对于大风量、低浓度的混合气体，为了降低床层的阻力，建议最好采用蜂窝活性炭作为吸附材料，在吸附床层的设计上，尽可能地加大床层的面积，以降低气流的流通阻力，从而达到降低运行费用的目的。

四、结论

在采用吸附法处理VOCs的工程中，首选的吸附剂应该是活性炭类吸附剂。而要想达到好的吸附效果又节能的目的，必须认真研究所处理气体的成分和其中物质的气体分子动力学直径，去选择适合该种废气的活性炭吸附剂：

（1）若工程中所处理的有机物成分比较单一，确认不含分子动力学直径超过2nm的大分子物质，建议选择活性炭纤维作吸附材料；

（2）在处理混合的、而且成分比较复杂的有机气体时，宜采用普通颗粒活性炭作吸附材料；

（3）对于一些特大分子的混合物，如汽油、石脑油等，建议采用中孔活性炭吸附材料。 

（4）对于大风量、低浓度的混合气体，建议采用蜂窝活性炭作为吸附材料。

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