活性炭用于VOCs回收原理

活性炭用于VOCs回收原理

吸附

活性炭是一种非ji性物质，对有机物具有很强的亲和能力。活性炭对VOCs的吸附性能与其孔隙结构、比表面积密切相关。一般来说，孔隙直径决定了对有机物分子的选择性，而比表面积决定了有机物的吸附容量。

活性炭具有高度发达的孔隙构造，其中有一种被叫做毛细管的微孔，毛细管具有很强的吸附能力，发达的孔隙构造使活性炭具有很大的比表面积，能使气体与毛细管充分接触，从而有机物分子被毛细管吸附。由于有机物分子之间存在相互吸引的“范德华力”存在，当一个有机物分子被捕捉进入到孔隙中后，会在分子吸引力作用下吸附更多的有机物分子，直到充满活性炭内孔隙为止。这种吸附在温度一定的条件下，符合Langmuir 吸附等温线模型。模型如下：

式中，q为VOCs吸附量，g／g；q。为VOCs饱和吸附量，g／g；K为Langmuir平衡常数；C为VOCs浓度，mg／Nm³。

选择合适的活性炭对VOCs的吸附至关重要，应综合考虑活性炭的粒度大小、着火点、强度、pH值、孔径分布以及比表面积等各种性质，才能在实际使用的气体浓度、湿度、温度及压力等条件下，使其发挥有效的吸附能力。其中zui重要的是合适的孔径分布与比表面积，由于VOCs一般为多种有机物的混合物，含有低沸点到高沸点的多种复杂成分，因此，要求吸附用的活性炭必 须具有一定比例微孔情况下，还有具有足够多的中孔及大孔。根据国际纯粹与应用化学会对孔隙的分类：孔径＜2nm为微孔；孔径在2-50nm之间的为中孔，或称为过渡孔；孔径＞50nm为大孔。

活性炭中的微孔一般认为是起到吸附的主导作用，对大多数的有机物来说是主要的吸附活性位，由于活性炭的吸附绝大部分发生在微孔内，因此吸附量受微孔的数量支配，所以在制取活性炭产品时根据需求要有一定比例的微孔。中孔主要是大分子的活性位，同时它也为小吸附质分子进入微孔提供通道，在有些情况下，传输功能要比活性位更重要，因此中孔也是一类很重要孔隙结构。一般来说，只有少数微孔直接通向外表面，在绝大多数情况下，活性炭的孔隙结构主要按下列方式排列：大孔直接通向活性炭的外表面，中孔是大孔的分支，微孔又是中孔的分支。微孔的吸附作用是以大孔的通道作用和中孔的过渡作用为基础。因此，吸附性能好的活性炭在孔结构上应有充分发达的微孔，同时又有数量及排列适宜的中孔。

比表面积决定有机物的吸附容量，比表面积大，能提供足够的有效吸附场所。比表面积主要由活性炭的微孔数量决定，而中孔及大孔的比表面积在整个活性炭中所占比例较小，因此微孔数量是决定比表面积大小的重要指标。

脱附回收

VOCs回收中的脱附操作方法主要包括2种：

（1）升温脱附

VOCs在活性炭孔隙中一般发生的是物理吸附，根据物理吸附的特征，吸附量随温度的升高会减小，因此通过升高活性炭的温度，可以使被吸附的有机物脱附解吸下来，原理是通过改变吸附平衡关系进行脱附，又称加热脱附或变温脱附。常用的加热方式包括：电加热、水蒸气加热、微波加热以及高温惰性气体加热等。有机溶剂回收领域中一般采用水蒸气加热方式。

（2）减压脱附

VOCs在活性炭上的吸附量一般随压力的升高而升高，因此为了使活性炭获得较高的吸附量或较高的吸附效率，一般会在较高的压力下或常压下吸附，然后通过降低压力或者抽真空，从而降低活性炭床层内气相VOCs浓度，以此改变平衡点，可以使吸附的有机物解吸脱附，实现活性炭的再生，这种方法也称为变压脱附。石油加工与储运行业中的油气回收一般采用此种方法进行脱附。