VOCs全稱Volatile organic compounds，直譯為揮發(fā)性有機化合物，具有沸點低的特征。主要國際組織對VOCs進行了各種定義。美國環(huán)境保護署(US EPA)提出，VOCs是除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，參加大氣光化學反應(yīng)的碳化合物。世界衛(wèi)生組織(WHO)認為VOCs是一種飽和蒸氣壓超過133.322 Pa，常壓下沸點在50 ~ 260℃的有機化合物。

揮發(fā)性有機化合物作為臭氧、光化學污染物和二次有機氣溶膠的重要前體，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴重危害。發(fā)達國家已經(jīng)提出了嚴格的法規(guī)來控制VOCs，針對VOCs減排的后處理技術(shù)已經(jīng)有了大量的發(fā)展，可分為銷毀技術(shù)和回收技術(shù)。

吸附法因其成本低效益高、操作靈活、能耗低等特點，被認為是最有前途的VOCs處理技術(shù)之一。本文簡單介紹多種多孔材料(如碳基材料、含氧材料、有機聚合物、復(fù)合材料等)吸附VOCs的影響因素和吸附作用機理。

2.1 碳基材料

2.1.1活性炭

活性炭(AC)具有較大的比表面積(600 ~ 1400 m2/g)、良好的孔結(jié)構(gòu)(0.5 ~ 1.4 cm3/g)和較高的VOCs吸附能力(10 ~ 600 mg/ g)，被認為是一種多功能吸附劑?；钚蕴吭趶U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?；钚蕴繉OCs的吸附性能受吸附條件、吸附劑理化性質(zhì)的影響。活性炭較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官能團也是某些VOCs吸附的關(guān)鍵因素。

2.1.2 生物炭

生物炭由于豐富的原料和高效低成本，被認為是商用活性炭的潛在替代品(Aguayo-Villarreal et al.，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，限制了其對VOCs的吸附能力。通過物理改性或化學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。

2.1.3 活性炭纖維

活性炭纖維(Activated carbon fiber, ACF)是在20世紀60年代發(fā)展起來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表面的化學官能團含量較少。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在實際工業(yè)中的應(yīng)用有限。

2.1.4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大的機械強度。由于其突出的物理化學特性，石墨烯在電子領(lǐng)域、生物醫(yī)學和環(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)用缺點是合成相對復(fù)雜，聚集問題嚴重。

2.1.5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，具有獨特的導(dǎo)電性、旋光性和機械強度等特點。此外，碳納米管具有較大的比表面積、天然疏水性和較強的熱穩(wěn)定性，然而，利用碳納米管做吸附劑吸附VOC還比較少見。

2.2 含氧材料

2.2.1 沸石

沸石分子篩具有疏水性好、比表面積大(250-800 m2/g)、孔隙可調(diào)、不易燃燒等優(yōu)點，被廣泛用作化學篩、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VOCs的吸附能力與AC相當。沸石的硅含量與其耐水性有關(guān)，可在合成過程中進行調(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。

2.2.2金屬有機骨架

金屬有機骨架(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)用的缺點并且制備成本高昂。

2.2.3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(Si-OH)和孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達，限制了粘土對VOCs的吸附能力。酸改性、有機改性等改性方法可以有效提高粘土吸附能力或疏水性。

2.2.4硅膠 

硅膠(SG)是一種具有三維四面體結(jié)構(gòu)和表面硅醇基團的無定形無機材料。SG具有良好的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性；具有低密度，高微孔表面積，以及豐富的官能團(如硅烷和硅氧烷)等特點。而SG作為一種新型的多孔吸附劑，對VOCs的吸附研究應(yīng)用較少。

2.3有機聚合物

有機聚合物可分為兩類：超交聯(lián)聚合物(HCP)和大孔聚合物。有機聚合物，尤其是HCP（一種新型的主要微孔有機材料，成本低）具備孔隙度可調(diào)、重量輕、熱穩(wěn)定性強、可靈活再生等特點，HCP缺失表面化學官能團，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)境保護的吸附劑，但HCP合成過程復(fù)雜。

2.4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。

2.5 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、灰中未燃碳含量等特點，F(xiàn)A及其衍生物(沸石)是去除水溶液中重金屬的優(yōu)選吸附劑。

污泥作為廢水處理吸附劑的潛在前驅(qū)體，是“零殘留”概念在人類活動中的典型應(yīng)用。污泥基吸附劑(比表面積達1000 m2/g)的吸附性能與商用活性炭相當。

3.1 物理吸附

物理吸附可歸因于分子間引力，即范德華力或色散力。對于多孔吸附劑而言，物理吸附主要取決于其比表面積和孔結(jié)構(gòu)。微孔結(jié)構(gòu)因為可以提供主要的吸附位點成為影響吸附劑物理吸附行為的關(guān)鍵因素。在大多數(shù)情況下，只有大孔直接暴露在多孔吸附劑的外表面。中孔是大孔(類似于人體的血管組織)的分支，為VOCs分子進入微孔提供運輸通道。

從宏觀上看，多孔材料的物理吸附過程由比表面積、孔結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)和吸附質(zhì)性質(zhì)決定。從微觀上看，主要由范德華力、微孔填充和毛細凝聚作用決定。物理吸附過程由多因素共同控制。

3.2 化學吸附

化學吸附是指吸附劑表面官能團與吸附質(zhì)分子之間的化學反應(yīng)。多孔材料的表面官能團對VOCs的化學吸附起重要作用。常見的表面官能團中，含氧基團和含氮基團被認為是最重要的化學吸附基團。

含氧基團是多孔材料中最豐富的種類，可分為酸性官能團、中性官能團和堿性官能團三種類型。含氮基團是由銨、硝酸和含氮化合物處理引起的，由于含氮基團的吸附劑在小孔中具有較高的分散性，含氮基團的吸附劑的吸附性能優(yōu)于堿浸漬吸附劑。

3.3 競爭吸附

由于工業(yè)有機廢氣中的揮發(fā)性有機化合物至少由兩種混合氣體組成，混合氣體系統(tǒng)中各組分的親和力不同，在吸附動態(tài)平衡過程中，吸附親和力強的VOCs蒸氣濃度達到一定程度時，會形成競爭吸附，取代吸附親和力較弱的VOCs蒸氣。

在一些實際工況中，水分子可以通過表面氧官能團反應(yīng)、氫鍵和毛細管冷凝三種方式競爭占據(jù)吸附劑的吸附位。除競爭吸附外，在一定條件下存在水與親水或水相混相VOCs的協(xié)同吸附。

本文介紹了各種多孔材料對VOCs的吸附性能，包括相互作用機理。多孔吸附劑對VOCs的吸附主要受其結(jié)構(gòu)和表面化學性質(zhì)的影響。大的比表面積和高的孔體積(特別是微孔體積)能促進物理吸附?；瘜W吸附與吸附劑的表面官能團以及吸附劑的極性、沸點、分子量和重量有關(guān)。在工業(yè)廢氣系統(tǒng)和實際工況中都存在競爭吸附，吸附親和力高的物質(zhì)蒸氣積累到一定濃度會取代親和力低的VOCs。