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挥发性有机化合物(Votatile Organic Compounds,VOCs)是与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物等一样的-大类空气污染物,VOCs控制技术研究是环境领域持续关注的热点性课题,其中吸附技术得到最广泛研究和应用,是VOCs最有效的控制方法之一。含湿的VOCs气体是普遍存在的,采用吸附法去除VOCs时水蒸气-VOCs之间的竞争作用会对吸附剂的性能造成显著影响。因此,对环境湿度的对抗能力是衡量吸附剂的一个重要物性。研究吸附剂的抗湿能力及吸附能力,综合分析吸附剂的吸附性能,为吸附剂的工业化应用提供理论基础也成为一个重要的研究方向。本论文重点研究新型疏水性超高交联吸附树脂HY-1的表面疏水性对吸附质(本实验选择极性的丁酮和非极性的苯作为目标污染物)吸附性能的影响,并与商用活性炭(GAC)和活性炭纤维(ACF),以及商品化超高交联吸附树脂(N-1)作比较,测定了水蒸气以及VOCs在不同吸附剂上的吸附平衡等温线并进行了水蒸气-VOCs动态竞争吸附实验。
水蒸气吸附平衡实验结果表明:水蒸气在四种吸附剂上的吸附量随着温度的升高而降低,温度越低其吸附等温线的拐点(水蒸气吸附量有明显上升时的点)也越提前。同一温度下,随着吸附剂表面功能团含量的增加,吸附等温线的拐点也随之提前。疏水性超高交联吸附树脂HY-1在293K、305K、318K三个温度条件下,在P/P0≤0.6时对水蒸气基本没有吸附,表明相比于商用活性炭(GAC)、活性炭纤维(ACF),以及商品化超高交联吸附树脂(N-1)具有最好的疏水性能。分别采用DS方程、DA方程、DO&DO方程以及CIMF模型对吸附平衡数据进行拟合分析,CIMF的拟合效果最好,相关性系数R2皆大于0.98;CIMF拟合所得S0与Cμs分别和Boehm滴定的功能团含量及77K氮气吸附脱附等温线所得微孔体积之间有相同的趋势,即S0随功能团含量的升高而增大,Cμs在低温时随微孔体积的增大而增大。
单组分的VOCs吸附平衡实验结果表明:在低相对压力区,两种吸附质在四种吸附剂上的吸附量都有一个迅速的上升,这与吸附剂富含微孔有关;而在高相对压力区,HY-1和N-1的吸附等温线仍有一个上升的趋势,而GAC和ACF则出现一个近似于水平状的平台,这可能是因为在高相对压力区,HY-1和N-2中含有的中孔和大孔发生了毛细管凝聚导致的;因而在低温、高相对压力条件下,吸附树脂具有比炭质吸附剂更优良的吸附特性。分别采用Langmuir、Freundlich和DA方程对吸附实验数据进行拟合,Freundlich和DA方程拟合效果较好,拟合系数R2≥0.97,这可能与吸附剂表面不均匀性和富含大量微孔有关。
水蒸气-VOCs动态竞争吸附实验结果表明:极性的丁酮在N-1、GAC、ACF三种吸附剂上的穿透时间随相对湿度RH的增加而变短,在HY-1上的穿透时间则随相对湿度的增加而延长,而非极性的苯在四种吸附剂上的穿透时间均随相对湿度RH的增加而变短,且苯在疏水性超高交联吸附树脂HY-1上的吸附受湿度影响最小。预吸湿实验同样表明,丁酮在预先吸湿的疏水性吸附树脂HY-1上吸附时的穿透时间较之在干燥的HY-1上的要长,而在其他三种吸附剂上穿透时间均提前,而苯在预先吸湿的四种吸附剂的穿透曲线较之在干燥的吸附剂上的则都提前了。