【原】小E研学丨活性炭和沸石对VOCs的吸脱附性能对比（一）

挥发性有机物（VOCs）作为PM_2.5和O₃生成的关键前体物，对其进行有效管控是打赢臭氧污染防治攻坚战的关键举措之一。在国家和地方政策的强力推动下，工业源VOCs排放管控受到广泛重视，围绕工业企业VOCs管控投入了大量的治理设施和技术手段。安装VOCs末端治理设施，对工业企业生产过程中各排放环节的VOCs废气进行有效收集、达标处理后以有组织形式排空是当前工业源VOCs治理的主要技术手段。VOCs现行治理技术主要包括吸附、燃烧、冷凝及以上技术的优化组合等，而吸附技术的应用极为广泛，最常用的吸附剂包括活性炭和沸石等。开展不同类型吸附剂在相同条件下对VOCs的吸脱附性能研究，获取吸附剂适用性条件及参数对其选型、资源再生化、绿色化利用尤为重要，同时对推进国家“碳达峰、碳中和”双碳目标的早日达成意义重大。

小E团队以VOCs废气作为研究对象，选取蜂窝活性炭和沸石分子筛作为吸附剂进行VOCs吸附试验。实验用沸石分子筛平均孔径分布在0.6nm左右，粒径在3-5mm；蜂窝活性炭200孔/in²，平均孔径集中在1.5 nm左右。蜂窝活性炭的碘值（623 mg/g）、比表面积（1236.72 m²/g）、总孔容（0.5254 mg/L）及微孔孔容（0.4133 mg/L），分别为沸石分子筛的1.79、2.93、1.55和2.02倍。通过两种材料的吸附试验，研究空床流速、反应温度、VOCs初始浓度等反应条件对吸附效果的影响，掌握两种吸附剂对VOCs的吸附规律，以期为VOCs废气选择适宜的吸附处理技术及工艺参数提供科学依据。

一

吸附温度对吸附效果的影响

采用Langmuir和Freundlich吸附等温方程式在吸附进口VOCs浓度200 mg/m³，进口风速0.3 m/s条件下试验得到的吸附平衡数据进行拟合，结果如下表所示。由表可知，Langmuir吸附等温方程的R²均在0.99附近且均大于Freundlich吸附等温方程的R²，蜂窝活性炭及沸石分子筛的吸附等温方程用Langmuir吸附等温方程表示更为合适。

表1 吸附等温方程相关参数

蜂窝活性炭和沸石分子筛的VOCs吸附等温线如图1所示，当吸附温度为30℃，VOCs吸附浓度为200 mg/m³时，沸石分子筛对VOCs的饱和吸附量约为9.6%，蜂窝活性炭对VOCs的饱和吸附量为21%，蜂窝活性炭对VOCs的饱和吸附量明显高于沸石分子筛，相同条件下蜂窝活性炭对VOCs的饱和吸附量约为沸石分子筛的2.2倍。试验时两种吸附剂（蜂窝活性炭1100 g，沸石分子筛4200 g），吸附温度为30℃，VOCs吸附浓度为200 mg/m³时，蜂窝活性炭、沸石分子筛对VOCs的最大吸附量分别为0.21 g/g和0.096 g/g。

当吸附温度为90℃，VOCs吸附浓度为200 mg/m³时，沸石分子筛对VOCs的饱和吸附量约为4.8%，而蜂窝活性炭对VOCs的饱和吸附量为9.1%。VOCs吸附浓度为200 mg/m³，吸附温度为30℃下蜂窝活性炭对VOCs的饱和吸附量是90℃下的2.33倍，吸附温度为30℃下沸石分子筛对VOCs的饱和吸附量是90℃下的2倍。相较于蜂窝活性炭，沸石分子筛的饱和吸附量受反应温度和VOCs浓度的影响较小。同时，试验时吸附固定床内填满两种吸附剂，吸附温度为90℃，VOCs吸附浓度为200 mg/m³时，蜂窝活性炭、沸石分子筛对VOCs的最大吸附量分别为0.091 g/g、0.048 g/g。

图1 沸石分子筛（左）和蜂窝活性炭（右）的

VOCs吸附等温线

二

吸附空床风速对吸附效果的影响

研究在不同进口浓度、气体流速等操作条件下VOCs的吸附规律。在吸附温度30℃时，吸附固定床截面风速分别为0.3 m/s、0.4 m/s和0.5 m/s，沸石分子筛固定床吸附实验的平均进口浓度利用PID测得分别为315.2 mg/m³、309.8 mg/m³和213.6 mg/m³，蜂窝活性炭吸附实验的平均进口浓度分别为322.7 mg/m³、318.9 mg/m³和319.1 mg/m³。获得不同流速下沸石分子筛和蜂窝活性炭固定床的VOCs吸附穿透曲线如图2所示。

由图可知，不同风速下两种吸附剂对VOCs的吸附穿透曲线均为S型。以出口浓度为进口浓度的5%（15 mg/m³）作为穿透点，蜂窝活性炭在流速为0.3 m/s、0.4 m/s和0.5 m/s情况下的穿透时间为18.3h、13.3h和8.5h，而沸石分子筛在流速为0.3 m/s、0.4 m/s和0.5 m/s情况下的穿透时间分别为13.3h、11.2h和9h。蜂窝活性炭在中低流速下的吸附穿透时间优于沸石分子筛，但是随风速上升至0.5 m/s时沸石分子筛的吸附穿透时间反而优于蜂窝活性炭，沸石分子筛在高风速下VOCs的吸附性能较好。

图2 不同风速下沸石分子筛（左）

和蜂窝活性炭（右）对VOCs的吸附穿透曲线

三

吸附空气动力学性能研究

反应温度为30℃时，研究装有蜂窝活性炭、沸石分子筛两种吸附剂的固定床床层阻力在不同空床流速下的变化情况如下图所示，两种吸附剂固定床床层阻力均随空床气速的增大而增大。在空床气速0.3 m/s时，沸石分子筛固定床床层压降为25Pa，而蜂窝状活性炭床层压降为19Pa，两者相差24%；而在空床气速2.1 m/s时，沸石分子筛固定床床层压降为363Pa，而蜂窝状活性炭床层压降为197Pa，两者相差约46%。相同空床流速下，沸石分子筛固定床床层压降要大于蜂窝状活性炭床，可能与蜂窝活性炭通孔规则、空气阻力小、微孔发达等因素有关。

图3 不同流速下两种吸附固定床床层阻力