生物炭材料吸附VOCs研究进展

摘要

挥发性有机化合物(VOCs)因其对生态环境和人类健康的严重危害而受到广泛关注。VOCs处理技术主要有焚烧法、冷凝法、吸附法和催化氧化法等,其中,吸附法以成本低、效果稳定、吸附剂可再生等优点被认为是一种高效、经济的处理手段。生物炭是一种绿色环保、廉价易得的炭质吸附材料,近年研究较多。介绍了生物炭基本吸附特性,对比不同制备和改性方法的优劣,重点分析了比表面积、孔隙特性和官能团等因素对生物炭吸附VOCs的影响,讨论了生物炭吸附VOCs的机理。生物炭原料来源广泛,原料种类、含量和成分差异都会影响生物炭的结构性质,从而影响其吸附能力。生物炭具有丰富的官能团和复杂的孔隙结构,一般采用常规热解方法在适当温度下制备的生物炭产率较高,结构性能较好。现阶段对生物炭改性效果显著的方法包括物理改性和化学改性,且生物炭改性后具备很高的VOCs吸附性能。通常生物炭比表面积越大,吸附性能越好;孔径越大,对大分子VOCs吸附更有利,但孔径远大于VOCs分子直径时,分子间吸附减弱;孔径越小,对小分子VOCs吸附更有利,但孔径过小也会增加VOCs的扩散阻力。较大的比表面积、适当的孔径以及针对被吸附VOCs气体极性进行改性使得生物炭具有较好的吸附性能。生物炭吸附VOCs的机理主要包括炭化区的吸附和非炭化有机物的分配,炭化温度小于300℃时分配作用为主要作用。比表面积越大,孔隙结构越发达,越有利于物理吸附;化学吸附一般通过生成化学键(如氢键、π—π键)产生作用。多组分VOCs会发生竞争吸附,且吸附亲和力较强的气体会取代吸附亲和力弱的气体。生物炭在相关领域的研究主要集中在实验室阶段,原料运输以及二次污染等问题使得生物炭吸附在工业上还未有成熟应用。提出未来生物炭吸附VOCs重点研究方向在于开发靶向改性生物炭、新型环保型生物炭复合材料、降低生物炭材料生产成本以及在分子水平上进行模拟研究。