分子模拟研究活性炭中的官能团对低浓度VOCs吸附的影响

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挥发性有机物目前已经成为一种危害人类健康的重要污染物,其治理和控制已经受到各国的广泛重视。活性炭吸附是一种处理室内低浓度VOCs广泛使用的方法。活性炭对VOCs的吸附主要受到孔结构以及孔中官能团的影响,而对极性气体而言,后者的影响更为显著。在研究领域对于不同对官能团对气体吸附的影响尚存在争议。  本文期望通过分子模拟解释活性炭中的官能团对低浓度气体吸附的影响,并且为特定低浓度气体吸附所需活性炭种类的选择提供指导。  本文使用Materials Studio软件,建立不同孔径的活性炭狭缝孔模型,并且在孔壁上分别植入羰基、羟基、羧基三种官能团,然后利用蒙特卡洛(GCMC)方法模拟丙酮、乙醇、苯三种气体在这些吸附剂中的吸附。  通过比较吸附结果发现,低浓度气体的吸附主要受吸附质-吸附剂相互作用和吸附剂中的可吸附表面积的影响。在1.0nm的孔中,两个孔壁的吸附势相互重叠,有利于低浓度气体的吸附。在孔中植入适量的羟基、羧基可以加强吸附剂与丙酮和乙醇分子的静电相互作用,促进它们的吸附。  对丙酮而言,当其浓度为10ppmv时,选用孔径为1.0nm氧含量为5wt%加入官能团为羟基的吸附剂吸附效果最好;当其浓度为1000ppmv时,选用孔径为1.5nm氧含量为10wt%植入官能团为羧基的吸附剂吸附效果最好。  对乙醇而言,当其浓度为0.001~2ppmv时,孔径为1.0nm氧含量为10wt%植入官能团为羧基的吸附剂吸附效果最好;当浓度为2~200ppmv时,孔径为1.0nm氧含量为10wt%植入官能团为羟基的吸附剂吸附效果最好。  对苯而言,当其浓度为0.0001~0.01ppmv时,孔径为1.0nm氧含量为20wt%植入官能团为羰基的吸附剂吸附效果最好;当浓度为0.01~0.1 ppmv时,孔径为1.0nm氧含量为5wt%植入官能团为羧基的吸附剂吸附效果最好;当浓度为0.1~30ppmv时,孔径为1.0nm的不加官能团的吸附剂吸附效果最好。  比较这三种吸附质的吸附情况得出结论:经过表面改性添加官能团的活性炭对极性气体的吸附有利,对非极性气体的吸附影响较小。因此,总的来说,在活性炭中植入官能团对低浓度VOCs的吸附是有利的。
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