吸附VOCs的多孔材料

吸附VOCs的多孔材料1、碳基材料1.1活性炭活性炭(AC)具有較大的比表面積(600—1400m2/g)、良好的孔結(jié)構(gòu)(0.5—1.4cm3/g)和較高的VOCs吸附能力(10—600mg/g)，被認(rèn)為是一種多功能吸附劑。活性炭在廢水處理、土壤修復(fù)和空氣凈化等方面的應(yīng)用得到了廣泛的研究，尤其是在VOCs的處理方面。活性炭對(duì)VOCs的吸附性能受吸附條件、吸附劑理化性質(zhì)的影響?；钚蕴枯^大的比表面積和孔徑能增加VOCs的吸附量。特別是活性炭表面的化學(xué)官能團(tuán)也是某些VOCs吸附的關(guān)鍵因素。1.2生物炭生物炭由于豐富的原料和高效低成本，被認(rèn)為是商用活性炭的潛在替代品(Aguayo-Villarrealetal.，2017)。生物炭的特性在很大程度上取決于原料和生產(chǎn)條件。一般情況下，木質(zhì)素含量和礦物含量高的原料易于產(chǎn)生高產(chǎn)量的生物炭。未處理生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，限制了其對(duì)VOCs的吸附能力。通過物理改性或化學(xué)改性可以大大改善生物炭的理化性質(zhì)。生物炭因其原料豐富、成本低、能耗低而被認(rèn)為是一種潛在的商用活性炭替代品。與活性炭類似，生物炭也有易燃性、堵塞毛孔和吸濕性的缺點(diǎn)。1.3活性炭纖維活性炭纖維(Activatedcarbonfiber，ACF)是在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種微絲排列形式。由于原料成本高、纖維紡紗和織造成本高、工藝處理后重量耗損嚴(yán)重，市面上的ACF非常昂貴。ACF的微孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于AC，但ACF表面的化學(xué)官能團(tuán)含量較少。這使得ACF具有疏水性，有利于吸附非極性或弱極性的VOCs。由于ACF制備的高成本，ACF在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用有限。1.4石墨烯二維(2D)結(jié)構(gòu)的石墨烯由碳原子六邊形排列的薄片組成，石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，超高的理論比表面積和強(qiáng)大的機(jī)械強(qiáng)度。由于其突出的物理化學(xué)特性，石墨烯在電子領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境處理等方面有廣泛應(yīng)用。石墨烯典型衍生物有氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)。由于還原氧化石墨烯含有大量的氧基，具有較強(qiáng)的疏水性，有利于吸附非極性或弱極性的VOCs。石墨烯的應(yīng)用缺點(diǎn)是合成相對(duì)復(fù)雜，聚集問題嚴(yán)重。1.5碳納米管碳納米管(CNT)由石墨烯薄片組成，是一種新型納米材料，具有獨(dú)特的導(dǎo)電性、旋光性和機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。此外，碳納米管具有較大的比表面積、天然疏水性和較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，然而，利用碳納米管做吸附劑吸附VOC還比較少見。2、含氧材料2.1沸石沸石分子篩具有疏水性好、比表面積大(250-800m2/g)、孔隙可調(diào)、不易燃燒等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作化學(xué)篩、吸附劑和催化劑。由于沸石的比表面和孔結(jié)構(gòu)可調(diào)，其對(duì)VOCs的吸附能力與AC相當(dāng)。沸石的硅含量與其耐水性有關(guān)，可在合成過程中進(jìn)行調(diào)整。沸石因其吸附量大、熱穩(wěn)定性好、易重現(xiàn)性好而被認(rèn)為是傳統(tǒng)的VOCs吸附劑之一。然而，沸石的合成過程復(fù)雜且耗時(shí)。2.2金屬有機(jī)骨架金屬有機(jī)骨架(MOF)是由Hoskins和Robson(1989)最先發(fā)現(xiàn)的一類新型晶體雜化多孔材料。MOF由于其可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，是最有前途的吸附VOCs的吸附劑。MOF對(duì)VOCs的吸附性能一般優(yōu)于傳統(tǒng)吸附劑(活性炭和沸石)。但也存在一些阻礙其工業(yè)應(yīng)用的缺點(diǎn)并且制備成本高昂。2.3粘土原料粘土具有較低的成本和良好的熱穩(wěn)定性，可作為VOCs吸附的替代材料。由于粘土表面存在硅醇基團(tuán)(Si-OH)和孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，限制了粘土對(duì)VOCs的吸附能力。酸改性、有機(jī)改性等改性方法可以有效提高粘土吸附能力或疏水性。2.4硅膠硅膠(SG)是一種具有三維四面體結(jié)構(gòu)和表面硅醇基團(tuán)的無(wú)定形無(wú)機(jī)材料。SG具有良好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；具有低密度，高微孔表面積，以及豐富的官能團(tuán)(如硅烷和硅氧烷)等特點(diǎn)。而SG作為一種新型的多孔吸附劑，對(duì)VOCs的吸附研究應(yīng)用較少。3、有機(jī)聚合物有機(jī)聚合物可分為兩類：超交聯(lián)聚合物(HCP)和大孔聚合物。有機(jī)聚合物，尤其是HCP（一種新型的主要微孔有機(jī)材料，成本低）具備孔隙度可調(diào)、重量輕、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、可靈活再生等特點(diǎn)，HCP缺失表面化學(xué)官能團(tuán)，在潮濕條件下表現(xiàn)出疏水性。HCP具有較大的比表面積和超疏水性質(zhì)，在干濕條件下都有可能成為空氣凈化和環(huán)境保護(hù)的吸附劑，但HCP合成過程復(fù)雜。4、復(fù)合材料在多組分、高濕度等復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用中，單一材料的吸附劑難以滿足實(shí)際需要。多層納米復(fù)合材料的制備引起了人們的關(guān)注，各種MOF基復(fù)合材料如MOF/炭(MOF-c)、MOF/金屬氧化物、MOF/二氧化硅和MOF/有機(jī)聚合物已成為空氣凈化的有效吸附劑。其他一些復(fù)合材料，如GAC/ACF、GO/CNT、SiC等，也有潛力成為VOCs捕獲的有效吸附劑，但需要考慮制備成本。5、其他多孔材料粉煤灰(FA)作為一種工業(yè)廢棄物，基于其特有的蜂窩結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、灰中未燃碳含量等