水蒸气对超高交联树脂/石墨烯复合材料吸附芳香烃的影响与优化调控机理研究

Nowadays, adsorption has been recognized as a preferred method for recovering volatile organic compounds (VOCs) at home and abroad, and the key to adsorption process is a porous solid adsorbent. Water vapor is ubiquitous in the actual VOCs adsorption system, which is known to compete with VOCs and influence the adsorption process. The negative influence of water vapor could be weaken with hydrophobic adsorbents. In this project, volatile aromatic compounds (benzene, toluene, chlorobenzene dimethylbenzene) are chosen as adsorbates, and hydrophobic hypercrosslinked polymeric resin/graphene composites (HPR/G) are synthesized. We will explore the effect of water vapor, physicochemical properties of adsorbent, and the physical parameters of adsorbates on VACs adsorption onto HPR/G. In addition, the breakthrough of VACs vapor and the desorption of VACs by water vapor in a fixed bed packed with HPR/G under isotherm and nonisotherm conditions will be investigated. Thus, we will study the coulpling relationship among temeperature varations, relative humidity, physicochemical properties of adsorbent and the physical parameters of VACs. A theoretical model may be built to simulate the VACs adsorption onto HPR/G in a fixed bed, including the warming and the mass-transfer rate during adsorption of VACs in a HPR/Gs bed. The methods for the synthesis of HPR/G and its application in VACs thermal swing adsorption process will be established and optimized. The research will provide a theoretical guidance for designing the high-efficiency adsorption bed of HPR/G for VACs removal.

吸附法是当前国内外挥发性有机化合物（VOCs）控制的主流技术，其中吸附材料是实现VOCs高效吸附分离的关键。在实际的VOCs气体中，水蒸气是普遍存在的，会影响VOCs的吸附效率，疏水性吸附剂可缓解水蒸气的负影响。本项目以典型挥发性芳香烃（VACs）作为吸附质（苯/甲苯/氯苯/二甲苯等），制备高效疏水的超高交联树脂/石墨烯复合材料（HPR/G）作为吸附剂，系统研究水蒸气、吸附剂理化性质和VACs的物化性质对VACs吸附性能的耦合影响机制；通过考察等温、非等温固定床吸附体系中水蒸气对VACs吸附的影响，以及水蒸气对VACs的柱脱附特性，分析VACs吸附与脱附过程中水蒸气、VACs物化性质和HPR/G理化性质与床层温度变化的耦合关系。基于上述研究结果，建立VACs固定床吸附传质理论预测模型，优化水蒸气再生的VACs变温吸附工艺中HPR/G的合成及应用的调控途径和策略，为VACs回收提供理论指导。

吸附法是当前国内外挥发性有机化合物（VOCs）控制的主流技术，在实际的VOCs气体吸附体系中，水蒸气是普遍存在的，会影响VOCs的吸附效率。本项目以典型挥发性芳香烃作为吸附质（苯/甲苯/二甲苯等），从静态顶空法和固定床柱吸附法考察吸附剂对水蒸气的吸附特性，研究预吸附和共吸附水蒸气对VOCs平衡吸附性能和柱吸附性能的影响。研究结果表明：（一）水蒸气平衡吸附机理为：在低相对压力阶段，水蒸气与吸附剂表面官能团形成氢键而吸附；随着压力的升高，水分子间通过氢键结合后形成水簇，水簇随着分压升高而增大，达到临界尺寸后，得到足够色散能进行微孔填充。水蒸气动态吸附时，穿透时间短，传质速率慢。（二）对于平衡吸附性能，水蒸气预吸附量越大，芳香烃平衡吸附量所受负影响越大；水蒸气预吸附量相同时，随着芳香烃浓度的升高，其平衡吸附量降低率越小；在相同条件下，预吸附水对VOCs的负面影响主要取决于吸附剂表面官能团含量及比表面积和芳香烃的分子量及沸点，除了苯，其他芳香烃的分子量和沸点都较高，受水蒸气的负影响很小。对不同系列不同性质的VOCs而言，色散力对吸附的贡献率越高，受水蒸气的负影响更大，经色散力贡献率对DR方程修正后，可用于对不同含水量的吸附剂上VOCs平衡吸附量的预测。（三）对于动态吸附性能，共吸附水可以使传质区缩短，对芳香烃的穿透吸附量影响很小，而预吸附水会使芳香烃传质区延长，对芳香烃柱穿透吸附量影响稍大。绝热条件下，水蒸气再生法对于吸附柱温升有较好的缓解作用，而且对芳香烃的柱吸附性能影响较小，该方法可用于芳香烃的吸附回收工艺中吸附剂的再生。（四）比较超高交联树脂、石墨烯和活性炭吸附体系中水蒸气对VOCs的吸附影响结果，发现吸附剂上表面含氧官能团和比表面积发挥更大的作用，石墨烯和芳香烃之间π-π作用未发挥显著的优势作用。本项目研究结果对于芳香烃和各类VOCs的高效回收具有直接指导意义和参考价值。