湿度对低浓度VOCs活性炭吸附影响的研究

2023-02-04李善淇羌宁

中国环保产业 2023年11期

李善淇，羌宁

（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

挥发性有机物（VOCs）作为环境空气中臭氧和PM2.5的重要前驱物质，已成为我国下阶段重点控制减排的大气污染物之一。活性炭吸附及吸附浓缩是VOCs 控制的重要措施之一。目前我国VOCs 气体净化已进入深化处理阶段，船舶修理、制造等室外涂装、部分涂装或车间集气所产生的较低浓度、非连续排放的VOCs 排放过程也被列入减排管控，这类排气因来自湿度较大区域或采用洗涤预处理的缘故湿度通常较大，研究气体湿度对较低浓度VOCs活性炭吸附容量的影响规律就具有非常重要的现实意义。

有机物和水在吸附剂上的竞争性吸附结果取决于吸附剂性质，表面官能团的含量和类型，吸附质的浓度及吸附过程的温度、湿度等条件[1—3]。高湿环境下的VOCs 吸附性能主要受碳基材料的孔特性及表面化学性质影响[4—10]。高华生等[11]研究发现，高湿工况对活性炭吸附极性和非极性挥发性有机分子的吸附均有影响。龚燕飞等[12]研究了甲苯等四种物质在30℃时不同相对湿度（RH）条件下活性炭的平衡吸附量，发现在RH 大于50%后，吸附量会显著降低，当RH 等于80%时，活性炭的吸附量减少到单组分吸附的50%左右。Li 等[13]测定了不同湿度下甲苯等VOCs 在碳纳米管上的气固分配系数。当RH 为55%时，气固分配系数较干燥环境均有不同程度的减小。Imraunl 等[4]研究发现RH 为0—90%，其苯吸附容量随RH 的增加呈线性下降趋势。已有研究报道单一温度下湿度的影响，而且大部分学者研究的是湿度对较高浓度VOCs（1000mg/m3以上）吸附性能的影响。本文以甲苯为目标污染物，从绝对湿度和相对湿度的角度，研究气体含水量及吸附温度对低浓度VOCs 吸附容量的综合影响，探讨优化活性炭吸附应用，为优化活性炭吸附低浓度VOCs 的调温调湿预处理工艺提供参考。

1 实验部分

1.1 材料和样品处理

研究选用宁夏华辉活性炭股份有限公司的4.0mm煤质柱状活性炭CTC80 为吸附剂，并对吸附剂进行过筛、洗涤、干燥和去死区处理。

采用的吸附质为国药集团化学试剂有限公司提供的甲苯（分析纯）及蒸馏水。

1.2 材料表征

比表面积和孔容采用BET 方法测定，孔径分布通过BJH 方法计算得到。

1.3 活性炭吸附平衡容量实验装置

吸附实验装置如图1所示，整个系统由气体发生系统、吸附系统、检测系统组成。气态甲苯和水分由液态甲苯及蒸馏水蒸发产生，其浓度通过注射泵和气体质量流量计调节，并用维萨拉湿度计和SmartFID在线进行气体含水量和甲苯浓度测定。吸附罐直径为22mm，颗粒活性炭装填高度为100mm，填充量约为10.3g。

图1 VOCs-水蒸气/活性炭二元吸附平衡测定实验装置

甲苯平衡浓度为100—1800mg/m3，含水量设定范围为RH30%—88%，绝对湿度为13—45g/m3，吸附平衡温度为30℃—150℃。甲苯的出口浓度为进口浓度的95%时设定为达到吸附饱和平衡。

1.4 数据处理

利用称重法（式①）得到甲苯和水蒸气的总吸附量。甲苯饱和吸附量通过在线甲苯浓度流出曲线计算（式②）：

水蒸气饱和吸附量根据公式③计算：

式①和②中：m为吸附后活性炭质量，g；m0为吸附前活性炭质量，g；q甲苯为甲苯饱和吸附量，mg/g ；Q为气体流速，L/min ；C0为初始浓度，mg/L；Ct为t时刻出口浓度，mg/L；Te为吸附饱和时间，min。

2 结果与讨论

2.1 活性炭表征结果

CTC80 的比表面积随孔径的分布情况如图2所示，测试结果显示多点比表面积（BET）为1172.9598m2/g，单点总孔容为0.612 687cm3/g。这说明该活性炭主要以微孔为主。

图2 活性炭表征图

2.2 活性炭吸附水分单组分结果分析

由图3（a）可知，当RH 低于50%时，30℃和40℃下水分的平衡吸附容量相差不大，均小于2.5[g/g（%）]，而且同一吸附温度下不同RH 的吸附容量变化也不大，活性炭对于水的吸附能力较弱。但当相对湿度大于60%后，活性炭对水的吸附能力大大增强，而且RH 相同时，由于40℃的绝对湿度值高，因此40℃的水吸附容量总体大于30℃。

图3 水吸附等温线图

从图3（b）可知，绝对湿度小于18g/m3时，30℃—40℃的活性炭对水的吸附能力均较弱；当绝对湿度超过18g/m3后，30℃的水吸附容量随绝对湿度值的增加而迅速升高，40℃的水吸附容量在绝对湿度达到26g/m3后才开始迅速增加，同一绝对湿度下，温度较低时水的平衡吸附容量更高。

考虑到待处理气体的绝对湿度与温度无关，相对湿度是温度的函数，温度升高RH 会下降，因此采用绝对湿度和温度可以更好地表征含水量对活性炭吸附水的影响。

2.3 活性炭吸附甲苯单组分结果

从图4 可知，在绝对湿度小于5g/m3的干燥氛围中，CTC80 的甲苯吸附等温曲线表现为单分子层吸附曲线特征。30℃甲苯平衡浓度为100mg/m3时，CTC80 对甲苯的平衡吸附容量达到14.34[g/g（%）]，甲苯平衡浓度由100mg/m3递增到1800mg/m3，吸附容量也从14.34[g/g（%）]升至27.46[g/g（%）]，40℃甲苯平衡吸附容量较30℃时降低10%—15%。

图4 单甲苯吸附等温线

2.4 水分竞争对甲苯吸附容量的影响分析

不同湿度对活性炭的甲苯吸附容量影响情况如图5所示。

图5 甲苯平衡吸附容量的影响因素

由图5（a）所示，随着RH 的增加，甲苯吸附容量均呈下降趋势，相同湿度情况下，30℃的吸附容量总体大于40℃的吸附容量，而且甲苯浓度越高吸附容量越大。RH 小于40%时，水分对吸附容量的影响作用较小，但从RH 增大到40%后，吸附容量随RH 的增加总体呈现迅速下降的趋势。30℃时，RH 为40%—60%，水分对吸附容量的抑制影响非常显著；当RH 大于70%时，随着RH 的增加，水分对吸附容量的抑制已达峰值。气相甲苯浓度越低，到达水分影响峰值的RH 越小。即气相吸附平衡浓度越低，受水分竞争吸附的影响越大。40℃时，RH＞55%后，水分对吸附容量的影响开始加剧。

由于实际工程中，RH 是气体温度的函数，而气体的绝对湿度数值基本不变，采用图5（a）的不同RH 与吸附容量的关系图很难直接给出湿度、温度对吸附容量的综合影响。因此，图5（b）给出了不同浓度、温度条件下，吸附容量随绝对湿度的变化关系。从图5（b）可知，绝对湿度在15g/m3左右时，开始出现相同的绝对湿度下40℃时的吸附容量大于30℃时吸附容量的现象，而且气相平衡浓度越小，40℃的吸附容量超越30℃的吸附容量的绝对湿度临界值越低。因此，对于活性炭吸附甲苯而言，在绝对湿度大于15g/m3时，提高吸附温度有利于增加吸附容量。以绝对湿度18.8g/m3为例，对于浓度为100mg/m3、600mg/m3、1200mg/m3的甲苯气体，吸附温度由30℃升高到40℃时，吸附容量分别由2.65[g/g（%）]、7.47[g/g（%）]、11.89[g/g（%）]升高到8.31[g/g（%）]、14.78[g/g（%）]、20.34[g/g（%）]。

从图5 的对比还可知，采用绝对湿度与吸附容量的关系图可以更直观地分析湿度对吸附容量的影响程度。

2.5 优化吸附预处理参数的方法

吸附的本质是吸附质在吸附剂内孔表面的凝结（与冷凝过程相同），是否易于吸附取决于气相分压与吸附温度下的饱和蒸汽压的比例，即相对饱和度。不同吸附质间的竞争，其实就是气相分压与饱和蒸气压比值之间的比较。如图5所示，在绝对湿度小于15g/m3时，水的竞争吸附能力较弱（30℃时水的饱和绝对湿度为30.1g/m3，40℃时水的饱和绝对湿度为50.8g/m3），表现为甲苯的吸附容量随绝对湿度的变化不明显。但当气相绝对湿度增加到15g/m3以上，相对湿度开始大于50%，30℃时的水分竞争吸附能力开始增强，表现为活性炭对甲苯的吸附容量迅速下降，但对于40℃来说，15g/m3的绝对湿度只能形成30%的相对湿度，水分竞争吸附能力仍然较弱，对吸附容量的影响仍然不明显。从气相甲苯平衡浓度的角度来分析，甲苯浓度高意味着其吸附竞争能力相对较强，抗水汽竞争吸附的能力也就相对较强，受水汽对吸附容量的影响也就相对较小，换言之，对于低浓度气体吸附，在水汽含量较高的情况下，适当提高气体温度有利于提高吸附容量。

吸附剂的吸附容量通常随着吸附温度的升高和含湿量的增加而降低，通过对待处理气体调温、调湿可调控吸附过程的吸附容量。以下以活性炭吸附甲苯为例，说明如何确定适宜的预处理温度、湿度调控目标值。

（1）测定待处理气体的温度、相对湿度、绝对湿度和污染物浓度范围。

（2）画出不同温度的绝对湿度与不同浓度甲苯吸附容量的关系图。

（3）根据关系图，设定吸附容量控制到不小于7%、绝对湿度大于30g/m3的情景，气体浓度小于600mg/m3时，需要通过气体脱水减少到绝对湿度小于20g/m3并保持35℃到40℃的吸附温度。对于气体浓度大于600mg/m3的情景，需要通过气体脱水减少到绝对湿度小于25g/m3并保持35℃到40℃的吸附温度。

（4）当气体浓度小于600mg/m3、绝对湿度小于20g/m3时，无需脱水，升温保持35℃到40℃的吸附温度；当气体浓度大于600mg/m3、绝对湿度小于25g/m3，无需脱水，升温保持35℃到40℃的吸附温度。

实际工作中，对于不同类型的吸附质和吸附剂体系，需要通过文献调研或试验，确定出不同温度和湿度条件下的相关有机物吸附容量关系图，在此基础上设定吸附容量，从而确定经济合理的待吸附气体预处理温度、湿度调控目标值。