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隨著國家對污染管控的越來越嚴，VOCs排放監管也越來越規范。低濃度、大風量VOCs的列入監管處理的范圍。當前對低濃度、大風量VOCs處理技術主要有間隙式吸附-脫附-催化燃燒技術，和連續式吸附-脫附-催化燃燒技術。間隙式吸附-脫附-催化燃燒技術通常是活性炭濃縮-催化燃燒技術；連續式吸附-脫附-催化燃燒技術通常是分子篩轉輪濃縮-催化燃燒技術。低濃度VOCs的濃縮的核心材料是吸附材料，了解吸附材料的性能，用好VOCs吸附材料對濃縮催化燃燒技術非常重要。最近收集了一些吸附材料的文獻資料，希望對使用吸附濃縮技術的企業有幫助。

1.什么是吸附材料

吸附材料也稱吸附劑，是一種能有效從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質。吸附材料應具有大的比表面、適宜的孔結構及表面結構；對吸附質（VOCs）有強烈的吸附能力；不與吸附質（VOCs）和介質發生化學反應。

常見的吸附材料有：活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩、天然黏土等。這些吸附材料中最具代表性的是活性炭，吸附性能相當好，用于VOCs吸附、防毒面具、水體凈化等等。

2.吸附材料的主要參數

飽和吸附容量：吸附容量是單位重量吸附劑達到吸附飽和時能吸附的吸附質（VOC）的量，單位為mg/g。不同VOCs，由于化學性質不同，沸點不同，飽和吸附量差別很大，可用等溫吸附線測量飽和吸附量。

穿透曲線：吸附劑在固定床吸附廢氣吸附操作時,從穿透點開始到出、入口氣流中吸附質濃度相等為止這段時間內出，流出口濃度隨時間的變化曲線稱為穿透曲線。由于穿透曲線易于測定和描繪，它反映床層吸附負荷曲線形狀，從而確定其床層傳質區長度。吸附過程中，流出氣體中出現吸附質時，這個點稱為穿透曲線的穿透點，也可用流出物濃度為進料濃度的5%或10%為作為穿透點。到達穿透點時吸附劑的吸附量稱為穿透吸附量，或穿透容量。

圖1是典型的穿透曲線（來自百度），進一步說明了吸附過程吸附帶的移動和穿透點，吸附帶的高度（傳質區長度）越小吸附劑的利用率越高。

脫附溫度：脫附是吸附的逆過程，是使已被吸附的組分達到飽和的吸附劑中析出，吸附劑得以再生的操作過程。脫附也是被吸附于界面的物質在一定條件下，離逸界面重新進入體相的過程，也稱解吸。脫附有熱脫附，減壓脫附，沖洗脫附等等工藝。低濃度VOCs吸附的濃縮脫附往往采用熱脫附，脫附溫度就是指吸附在吸附材料表面VOC通過熱脫附再生，所需要的最低溫度。

高性能的吸附材料應該具備量飽和吸附量大、吸附帶窄，熱脫附溫度越低。

3．吸附材料的吸附性能

活性炭和分子篩是最為常用的吸附材料，廣泛用于低濃度VOVs的濃縮技術上。活性炭主要用于間隙式吸附-脫附；分子篩主要用于連續式吸附-脫附（如轉輪技術），以下主要分析活性炭和分子篩。

3.1活性炭

由于原料來源、制造方法不同，活性炭有上千個品種。以木質活性炭為例，有木屑、木炭為原料的活性炭；椰子殼、核桃殼、杏核殼等為原料的果殼活性炭；褐煤、泥煤、煙煤、無煙煤等為原料的煤質活性炭；瀝青等為原料的瀝青基球狀石油類活性炭；廢炭為原料進行再活化處理的再生活性炭。還有活性炭纖維。活性碳纖維是經過活化的含碳纖維。活性炭可以做成各種形狀，如粉末活性炭、顆粒活性炭、蜂窩活性炭。雖然都稱為活性炭，不同活性炭的制作成本，比表面積，表面極性差別很大，直接影響對VOCs吸附性能。水蒸汽對VOC吸附有抑制作用，隨著濕度增大，VOCs的吸附能力下降。

曹利等[環境科學與技術，2012,35:160]測量了甲苯、苯、乙酸乙酯、丙酮4種VOC在活性炭（比表面積1017m2/g）上的吸附等溫線（圖1），發現飽和吸附容量分別為：甲苯0.323g/g；乙酸乙酯0.286g/g；苯0.278g/g；丙酮0.238g/g。可見，活性炭對不同VOC的飽和吸附量是不同的。

而沈秋月（同濟大學碩士論文，活性炭吸附VOCs及其脫附規律的研究，2007年）的JX-440型活性炭上的甲苯、丁酮、二甲基甲酰胺（DMF）動態吸附性能進行研究（表1），甲苯飽和吸附容量大約0.18-0.22g/g；丁酮0.11-0.28g/g；DMF0.41-0.43g/g。吸附容量與VOC的入口濃度有關，入口濃度越低飽和吸附量就越小。與圖1對比，活性炭品種不同，吸附能力也不同。

在實際工況中，有機廢氣（VOCs）往往是很復雜的，有機物的成分很多。圖2是雙元VOCs（苯-甲苯）[大連輕工業學院學報，2007,26:152]在性炭纖維（ACF）吸附的穿透曲線，可見苯先開始穿透，在30分鐘達到最高值，經過5分鐘后，迅速下降到平衡濃度，吸附能力強的甲苯則在苯從最高點下降時開始穿透，濃度逐漸增大，然后活性炭纖維（ACF）達到吸附飽和，顯示出了兩組分在存在競爭吸附，ACF對甲苯的吸附能力高于苯，已被吸附的部分苯分子被甲苯從ACF表面置換出來，即吸附能力強的組分有置換吸附能力相對弱的組分的現象。這種現象在多組分VOCs體系中非常普遍[環境科學與技術，2012,35:160]。由于吸附過程組分間的競爭和置換作用的存在，使得VOCs在多元體系中的平衡吸附量均小于相同條件下單組分平衡吸附量。其中被置換組分降低程度更為顯著。因此。在復雜的實際工況中，應充分考慮有機物之間的競爭吸附，以提高吸附效率。

表2是活性炭纖維對甲苯的吸附性能[中國環境科學2016,36(7)：1981-1987]，可見吸附量明顯高于活性炭。也說明了活性炭纖維的循環4次后，效果下降比較明顯。重復循環使用性能關系到吸附劑能否長期使用的關鍵。

圖3是吸附溫度對活性炭纖維甲苯吸附性能的影響[中國環境科學2016,36(7)：1981-1987],可見吸附性能對溫度很敏感，溫度越高吸附量越低。因此，在實際使用時應盡量降低吸附溫度。

3.2分子篩

分子篩是一類具有均勻微孔，主要由硅、鋁、氧及其它一些金屬陽離子構成的吸附劑，其孔徑與一般分子大小相當。由于分子篩由氧化硅和氧化鋁組成，所以不會燃燒，性質穩定。分子篩種類繁多，性質不同，常見的有5A分子篩、Y分子篩、USY分子篩、ZSM-5分子篩、b分子篩、13X分子篩等等。

呂雙春[環境化學,2017,36:1492]根據總結了分子篩孔道尺寸與VOCs分子大小的關系（圖4）。DDＲ和CHA型分子篩孔徑小于0.4nm，只能吸附小分子的甲醛和丙酮;LTA型分子篩根據孔徑大小的不同分為3A、4A和5A分子篩，5A分子篩可以吸附甲醛、丙酮、乙烯和乙烷;MEL、MFI、BEA、MOＲ、MEI、UOV孔徑依次增大，可以吸附更多種類的VOCs分子，如BEA型分子篩可以吸附甲醛、丙酮、乙烯、乙烷、噻吩;FAU型分子篩的孔徑為0.73nm，可以吸附除了甲醛丙酮等小分子外，還可以吸附環己烷、三氯甲烷、苯、鄰二甲苯等VOCs分子。也就是說，當分子尺寸大于分子篩孔道時，分子無法進入分子篩孔道，就無法吸附。按照圖4的說法，ZSM-5分子篩屬于MFI型分子篩，由于大分子VOC（如苯、二甲苯）的分子尺寸大于ZSM-5的孔道，ZSM-5分子篩對大分子VOCs的吸附較差。但是在實際測試中ZSM-5對甲苯有比較好的吸附效果，不清楚其原因。

ZSM-5分子篩是美國Mobileoil公司于上世紀六十年代末合成出來的新型沸石分子篩。由于它在化學組成、晶體結構及物化性質方面具有許多獨特性,在很多催化反應中顯示出了優異的催化性能,在工業上得到了越來越廣泛的應用。當前用于吸附VOCs的通常是ZSM-5分子篩。圖5是分子篩的結構圖（來自百度）。

ZSM-5具有高硅鋁比，其表面電荷密度較小，不易吸附極性較強的水分子。盡管水分子的直徑小于正己烷，但ZSM-5對正己烷的吸附量一般大于水（表3）。隨著ZSM-5分子篩的硅鋁比提高，對水的吸附性能下降，有利于減少水對VOCs吸附性能的影響。

表3中也可以看出，正己烷和環己烷在分子篩上吸附量相差高達5倍。說明不同的有機物，吸附量差別很大。從圖6[環境科學學報，2014,34:3144]４種不同硅鋁比（Si/Al＝50、100、200和300）的ZSM-５分子篩在干氣下對甲苯的吸附穿透曲線，發現Si/Al比的提高有利于甲苯分子的吸附。ZSM-５-200和ZSM-５-300分子篩的甲苯飽和吸附吸附量為0.077g/g。水汽對ZSM-５-300分子篩對甲苯吸附性能影響很小。ZSM-５-300分子篩的吸附性能與VOCs的性質有關[環境科學學報，2014,34:3144]，表4中可以看出ZSM-5-300分子篩對環己烷的飽和吸附量為0.035g/g；而對乙酸乙酯高達0.129g/g。

4.吸附劑的脫附性能

由于吸附劑吸附飽和后需要脫附才能恢復吸附性能，脫附出的高濃度VOCs可以進一步回收，或通過催化燃燒處理。因此，VOCs在吸附劑表面的脫附性能，對于循環使用是非常重要的。圖7是丙烯酸甲酯在3種活性炭上的程序升溫脫附（N2氣氛）[大連理工大學學報,2009,49:800]，溫度高于40oC就開始脫附，130oC脫附速率最大，240oC脫附完全，說明活性炭上的丙烯酸甲酯的脫附溫度要高于130oC。

圖8是活性炭（AC）和分子篩吸附甲苯后的脫附TPD曲線，沸石分子篩表面的甲苯均在50℃左右開始脫附，300-350℃時完全脫附。根據出峰位置和峰寬，甲苯從吸附劑表面脫附難易程度依次為：AC>NaY、13X>Hb>MCM-22>ZSM-5[環境污染與防止，2009,31（4）：37]。

圖9[新型炭材料,2017,32:358]是吸附飽和后,將樣品以10℃/分的速率從25℃升溫至400℃,苯和甲苯在蜂窩活性炭上的脫附行為。圖9可見，活性炭上苯和甲苯的開始脫附溫度在30℃附近，脫附完全溫度在300℃，而且苯和甲苯的脫附溫度差別很小。

工業VOCs成分復雜，如果含有高沸點，難脫附的物質，需要更高的脫附溫度，如果脫附不完全，將影響循環使用的性能，如果脫附后的濃縮VOCs經催化燃燒處理，通常采用熱空氣脫附，在熱空氣脫附過程，要防止活性炭的自然是非常關鍵。分子篩不可燃，沒有燃燒的風險，這是分子篩優于活性炭最重要的方面。

選擇吸附材料時應關注如下問題：

1.吸附材料的性質與材料的種類、制備方法等因素有關，選擇吸附材料時應關注飽和吸附量，穿透曲線，脫附溫度等。

2.由于工業VOCs的成分非常復雜，不管是活性炭還是分子篩對不同有機物的吸附性質差別具大，一般來說對分子量小、沸點低的有機物吸附較差。由于吸附過程組分間的競爭和置換作用的存在，使得吸附能力強的VOC影響吸附能力弱的VOC的吸附。

3.工業VOCs中高沸點、難脫附物質的存在影響吸附材料的熱再生，高沸點物質在吸附材料孔道的累積，將影響吸附材料的吸附性能。

4.使用活性炭吸附，熱脫附時應防止活性炭的燃燒。對于安全等級較高的區域，建議使用分子篩。