CN116593376B - 一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法，属于废气治理技术领域。本发明使用2个或以上具有集中孔径分布的多孔材料为模型吸附材料，探究特定吸附条件下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸。由于填充式吸附遵循体积填充机制，该部分吸附量与密度以及发生了填充式吸附的孔容相关。而未发生填充式吸附的孔则是单层或多层吸附的表面覆盖机制，该部分吸附量与相应的比表面积相关。本发明根据发生了填充式吸附的孔的孔容和覆盖式吸附的孔的比表面积，设一个二元一次方程，并解出方程的系数，进一步通过引入孔径差异和压力变化对吸附量的影响实现系数的校正，获得能够根据吸附材料的孔结构预测其对VOCs吸附量与等温线的方程。

Description

一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方法
技术领域
本发明涉及废气治理技术领域，特别涉及一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方法。
背景技术
挥发性有机污染物(Volatile Organic Compounds，简称VOCs)的排放不但对环境造成严重污染，还会对人体健康造成直接或间接的危害。目前，VOCs的末端治理技术主要包括：催化燃烧、生物降解、低温等离子体、光催化降解、吸附回收、冷凝和膜分离等。其中，吸附法具有易于操作、净化效率高、适用范围广、能够与其他处理技术结合等优点，被广泛应用于VOCs处理与回收，是应用最为广泛的VOCs控制技术之一。吸附材料的开发是VOCs吸附技术发展的重要基础，吸附材料的选择，需要综合考虑材料的结构性质、成本、吸附量、吸附速率、再生性能及其与被吸附的VOCs废气之间的匹配关系等诸多因素。
尽管吸附技术处理VOCs已经得到广泛的应用，但是对于VOCs的吸附过程的研究，仍存在很多科学问题没有得到解决，如吸附材料的孔结构和VOCs吸附能力之间具体的构-效关系不够清楚。吸附材料对VOCs的吸附过程中，会受到众多因素的影响。首先，吸附材料的性质如孔结构和表面性质是影响吸附的主要因素；其次，VOCs种类繁多本身的物化性质(如极性、沸点、分子量等)差异较大导致吸附过程不能一概而论；此外，环境的温度、湿度、共存污染物等也会对吸附过程产生重要影响。因此，由于VOCs吸附过程的复杂性，现有指导规律通常不够精确，比如通常认为比表面积越大对VOCs的吸附容量越高，微孔可以提供较强的吸附力但也会使脱附困难。这些规律通常不够精确，仍需要结合大量的尝试与摸索才能找到可能的比较适用的吸附材料。
目前的研究中，基本上都将众多影响因素混在一起，只能在研究者自己的一系列样品中，得到一些吸附量与比表面、平均孔径、孔隙率等参数之间的正相关或负相关等的趋势。总体而言，这些规律普遍比较笼统，不足以指导VOCs的吸附工艺和吸附材料的开发。吸附材料孔结构的进一步优化，缺乏孔径尺寸与吸附性能之间定量化的参考依据。如果存在一种吸附量预测方法，能够根据吸附材料的孔结构等性质，预测出材料对特定VOCs在特定压力与温度下的吸附量，将能够对吸附技术与吸附材料的开发提供有力的参考依据。
目前，尚未形成可推广至不同VOCs种类在不同温度和压力下的吸附回收的吸附量预测方法，从而在一定程度上限制了对特定VOCs的吸附具有专用性的吸附材料的开发。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方法。本发明提供的预测方法可以实现不同吸附材料在特定条件下对挥发性有机物的吸附量与吸附等温线的预测。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法，包括以下步骤：
(1)提供2个或2个以上具有集中孔径分布的多孔材料为模型吸附材料，测试孔结构参数，测试在特定吸附温度下吸附材料对特定VOCs的吸附等温线，得到任一压力下吸附材料的吸附量Q；
(2)根据所述吸附等温线获得各模型吸附材料发生填充式吸附时所对应的压力区间，取所述压力区间的中间值作为临界压力点PC，将所述临界压力点PC与该吸附材料的孔径分布的中间值相对应，将该孔径分布的中间值作为临界压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸DC；
(3)以所述临界孔道尺寸DC为分界点，根据孔结构测试的结果分别得到所述吸附材料在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容VC和临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积SC；
(4)所述吸附量Q、孔容VC、比表面积SC满足基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程Q＝f(VC,SC)，即公式1：
Q＝f(VC,SC)＝a×ρ×VC+b×SC 公式1；
公式1中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
a为填充式吸附的系数，无单位；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容，cm3/g；
b为覆盖式吸附单位比表面积上VOCs的吸附量，g/m2；
SC为临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积，m2/g；
(5)在相同的吸附温度下测试其余吸附材料的对特定VOCs的吸附等温线，按照步骤(1)～(3)获得其余吸附材料对应的吸附量Q、孔容VC、比表面积SC，带入至公式1中获得a和b的具体数值，获得基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程。
优选的，所述具有集中孔径分布的吸附材料的数量≥2。
优选的，所述步骤(1)中还包括：
利用商业化的比表面积与孔隙结构分析仪的测试，通过DFT圆柱形孔的计算模型，获得吸附材料的孔结构参数，所述孔结构参数包括孔径分布、特定孔径尺寸范围内的孔容、特定孔径尺寸范围内的比表面积。
优选的，所述步骤(2)中还包括：
根据所述2个或以上具有集中孔径分布的吸附材料的压力点和对应的临界孔道尺寸DC，获得所述压力点PC和临界孔道尺寸DC的线性关系曲线，即公式2：
DC＝k×PC+D0 公式2；
公式2中，DC为压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸，nm；
k为临界孔径尺寸与压力之间线性关系的斜率，nm/mbar；
D0为线性关系中当压力趋近于0时DC的数值，nm；
根据公式2，结合吸附材料的孔结构参数分别求出任一临界孔径DC时对应的临界孔道尺寸以下的孔的孔容VC和临界孔道尺寸以上的孔的比表面积SC。
优选的，还包括将不同吸附材料孔径尺寸大小的差异和压力的变化作为参数引入基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程，进行校正和扩展，得到任一压力下的吸附量预测，即公式3：
Q＝f(DA,P)×ρ×VC+g(P)×SC 公式3；
公式3中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸，nm；其中DA＝4VC/(S-SC)，S为总比表面积，m2/g；
f(DA,P)表示填充式吸附的系数a是孔径尺寸DA和压力P的函数；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容，cm3/g；
g(P)表示覆盖式吸附的系数b是压力P的函数；
SC为临界孔道尺寸以上的孔的比表面积，m2/g。
优选的，所述f(DA,P)满足公式4：
f(DA,P)＝(a0+a1×(DA-D0)+a2×P) 公式4；
公式4中，a0为系数a中不受孔径尺寸和压力变化影响的部分，无单位；
a1为系数a中受孔径尺寸差异影响部分的系数，nm-1；
a2为系数a中受压力变化影响部分的系数，mbar-1；
D0为在临界孔径尺寸与临界压力之间的线性关系中当压力趋近于0时的DC数值，nm；
g(P)满足公式5：
g(P)＝(b0+b2×P) 公式5；
公式5中，b0为系数b中不受孔径尺寸和压力变化影响的部分，g/m2；
b2为系数b中受压力变化影响部分的系数，g/m2/mbar。
优选的，所述吸附材料为有序介孔硅、有序介孔炭和分子筛中的一种或几种。
优选的，所述VOCs为烃类有机物、含氧有机物、含卤有机物、含氮有机物和含硫有机物中的一种。
本发明提供了一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法，本发明采用控制变量的方法，通过使用2个或2个以上具有集中孔径分布的多孔材料为模型吸附材料，在特定条件下(特定VOCs种类、温度、压力)，探究能够发生填充式吸附的孔径的临界孔道尺寸DC。由于填充式吸附遵循的是吸附空间的体积填充机制，且孔道中的吸附质密度与其液态时的密度(ρ)较为接近，因此该部分吸附量与密度以及发生了填充式吸附的孔容相关。而未发生填充式吸附的孔则是单层或多层吸附的表面覆盖机制，该部分吸附量与相应的比表面积相关。在此基础上，分别根据发生了填充式吸附的孔容和未发生填充式吸附的孔的比表面积，设一个二元一次方程，并利用2个或以上模型材料孔结构参数及其对VOCs的吸附量作为已知数据，解出该二元一次方程的系数，形成可以通过吸附材料的孔隙结构参数预测对特定条件下VOCs吸附量与等温线的方程，可以用于相同或相似吸附条件下的吸附材料对VOCs吸附量的预测。在此方程的基础上，通过引入临界孔径尺寸随压力的变化规律，得到能够预测任一吸附压力点所对应的吸附量，形成吸附等温线。通过引入孔径尺寸差异和压力的变化对吸附量的影响对方程的系数进行校正，得到能够根据吸附材料的孔结构参数预测其对特定VOCs的吸附量与吸附等温线的方程。
本发明提供的基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法具有坚实的理论依据，方程中的每一个变量都有明确的物理含义。本发明提供的预测方法计算简单、物理含义明确、准确性高、适用范围广，为适用于不同VOCs的吸附材料的选型提供参考依据，为高效的VOCs吸附材料的设计、吸脱附过程的研究和VOCs吸附工艺的优化提供理论支撑。本发明提供的基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方法具有良好的可推广性，同样适用于其他不具有集中孔径分布的吸附材料，在特定温度下对特定VOCs的吸附量与吸附等温线的预测；并且能够通过对填充式吸附与覆盖式吸附系数的校正，扩展至其他不同于模型吸附材料表面性质的吸附材料，在特定温度下对特定VOCs的吸附量与吸附等温线的预测。实施例结果表明，本发明提供的预测方法得到的预测吸附量与实际测试吸附量的相似度在93.5～100％，预测的吸附等温线与实测的吸附等温线能够很好的重合，具有良好的准确度和可扩展性。
附图说明
图1为基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法示意图；
图2为MCM-41-2.6、MCM-41-3.0、MCM-41-3.4、MCM-41-3.8的孔径分布；
图3为实施例1中压力与临界孔道尺寸DC的线性关系；
图4为实施例1中特定孔径尺寸范围内的孔的孔容；
图5为实施例1中特定孔径尺寸范围内的孔的比表面积；
图6为实施例1实测的吸附等温线与通过校正前的吸附量预测方程得到的预测的吸附等温线的对比；
图7为实施例2实测与预测的吸附等温线的对比；
图8为实施例3中压力与临界孔道尺寸DC的线性关系；
图9为实施例3实测与预测的吸附等温线的对比；
图10为实施例4中压力与临界孔道尺寸DC的线性关系；
图11为实施例4实测与预测的吸附等温线的对比；
图12为实施例5实测与预测的吸附等温线的对比；
图13为实施例6实测与预测的吸附等温线的对比。
具体实施方式
本发明提供了一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法，包括以下步骤：
(1)提供2个或2个以上具有集中孔径分布的多孔材料为模型吸附材料，测试孔结构参数，测试在特定吸附温度下吸附材料对特定VOCs的吸附等温线，得到任一压力下吸附材料的吸附量Q；
(2)根据所述吸附等温线获得各模型吸附材料发生填充式吸附时所对应的压力区间，取所述压力区间的中间值作为临界压力点PC，将所述临界压力点PC与该吸附材料的孔径分布的中间值相对应，将该孔径分布的中间值作为临界压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸DC；
(3)以所述临界孔道尺寸DC为分界点，根据孔结构测试的结果分别得到所述吸附材料在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容VC和临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积SC；
(4)所述吸附量Q、孔容VC、比表面积SC满足基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程Q＝f(VC,SC)，即公式1：
Q＝f(VC,SC)＝a×ρ×VC+b×SC 公式1；
公式1中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
a为填充式吸附的系数，无单位；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容，cm3/g；
b为覆盖式吸附单位比表面积上VOCs的吸附量，g/m2；
SC为临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积，m2/g；
(5)在相同的吸附温度下测试其余吸附材料的对特定VOCs的吸附等温线，按照步骤(1)～(3)获得其余吸附材料对应的吸附量Q、孔容VC、比表面积SC，带入至公式1中获得a和b的具体数值，获得基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程。
本发明提供2个或2个以上具有集中孔径分布的多孔材料为模型吸附材料，测试孔结构参数，测试在特定吸附温度下吸附材料对特定VOCs的吸附等温线，得到任一压力下吸附材料的吸附量Q。在本发明中，当孔径分布集中在2.0nm范围以内，并且该部分孔的比表面积占材料的总比表面积的90％以上，设定为集中孔径分布的吸附材料。在本发明中，所述具有集中孔径分布的吸附材料的数量优选≥2。
在本发明中，所述模型吸附材料为具有集中孔径分布的多孔材料，具体优选为有序介孔硅、有序介孔炭和分子筛中的一种或几种；所述VOCs优选为烃类有机物、含氧有机物、含卤有机物、含氮有机物和含硫有机物中的一种；在本发明中，所述烃类有机物优选为烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃中的一种；所述含氧有机物优选为醛类有机物、酮类有机物、醇类有机物和酯类有机物中的一种。作为本发明的具体实施例，所述VOCs优选为苯、乙酸乙酯、丙酮中的一种。
在本发明中，所述吸附材料需具有集中的孔径分布，从而排除其他尺寸的孔道对吸附过程的影响。在本发明中，所述吸附材料的集中分布的孔径在微孔和小介孔的范围内，约等于或数倍于VOCs的分子尺寸。
本发明利用商业化的比表面积与孔隙结构分析仪的测试，通过DFT圆柱形孔的计算模型，获得吸附材料的孔结构参数，所述孔结构参数包括孔径分布、特定孔径尺寸范围内的孔容、特定孔径尺寸范围内的比表面积。
本发明根据所述吸附等温线获得各模型吸附材料发生填充式吸附时所对应的压力区间，取所述压力区间的中间值作为临界压力点PC，将所述临界压力点PC与该吸附材料的孔径分布的中间值相对应，将该孔径分布的中间值作为临界压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸DC。对于具有集中孔径分布的吸附材料来说，其吸附等温线是典型的VI型吸附等温线，发生填充式吸附时在特定的压力范围内其吸附量会有快速的增加，能够直观的从吸附等温线中体现出特定孔径尺寸的吸附材料发生填充式吸附时所对应的压力。取该压力范围的中间点作为平均数与模型吸附材料的的孔径尺寸对应，则可以得到特定的VOCs在特定吸附温度下，能够发生填充式吸附的孔径尺寸与压力的对应关系，并将该孔径尺寸定义为该压力下的临界孔道尺寸DC。不同吸附压力会对应不同的临界孔道尺寸。利用两个或以上具有集中孔径分布的模型材料对VOCs的吸附等温线，结合孔结构数据的结果，推导出特定的VOCs在特定吸附温度下，孔结构的临界孔道尺寸与压力点之间的一一对应关系，并解出两者之间的线性关系方程，即公式2：
DC＝k×P+D0 公式2；
公式2中，DC为压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸，nm；
k为临界孔径尺寸与压力之间线性关系的斜率，nm/mbar；
D0为线性关系中当压力趋近于0时DC的数值，nm。
本发明以所述临界孔道尺寸DC为分界点，根据孔结构测试的结果分别得到所述吸附材料在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容VC和临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积SC。填充式吸附遵循的是吸附空间的体积填充机制，该部分孔道对VOCs的吸附量与孔容大小直接相关。而未发生填充式吸附的孔道则是单层或多层吸附的表面覆盖机制，该部分孔道对VOCs的吸附量与比表面积直接相关。两部分的吸附的机制不同，因此对VOCs吸附量的贡献量及计算方法也不同。
根据在特定压力下发生填充式吸附的临界孔道尺寸，分别给发生了填充式吸附的孔的孔容(VC)和发生表面覆盖式吸附的孔的比表面积(SC)分配一个系数(a和b)，所述吸附量Q、孔容VC、比表面积SC的满足基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程Q＝f(VC,SC)，即公式1：
Q＝a×ρ×VC+b×SC 公式1；
公式1中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
a为填充式吸附的系数，无单位；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容，cm3/g；
b为覆盖式吸附单位比表面积上VOCs的吸附量，g/m2；
SC为临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积，m2/g。
本发明在相同的吸附温度下测试其余吸附材料的对特定VOCs的吸附等温线，按照步骤(1)～(3)获得其余吸附材料对应的吸附量Q、孔容VC、比表面积SC，任选其中两个样品的数据带入至公式1中解出a和b的具体数值，获得基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程。在本发明中，结合孔结构和吸附量测试，得到的模型材料孔结构参数及其对VOCs的吸附量作为已知数据，则方程式中的吸附量(Q)、密度(ρ)、孔容(VC)、比表面积(SC)皆为已知数，只有填充式吸附的系数(a)和覆盖式吸附单位比表面积吸附量(b)为未知数，通过将其中的任意两个吸附材料的孔结构参数和吸附量带入方程，能够解出二元线性方程的两个系数a和b。将解出的系数带回该二元线性方程，最终形成可以根据多孔吸附材料的孔结构参数，预测其在特定条件下对特定VOCs吸附量的方程。
在本发明中，通过细化不同尺寸的孔对填充式吸附与覆盖式吸附的吸附量的贡献量，以及压力变化对吸附过程的影响，能够提高预测的精确度。对于发生填充式吸附的部分，不同尺寸的孔中VOCs分子堆积的密度也会存在些许差异；随着吸附压力的增加，吸附的VOCs能够发生分子重排而使发生了填充式吸附的VOCs的密度略有增加。在发生覆盖式吸附的区域，同样随着压力的增加，单位面积上的吸附量也呈现出增加的趋势；同时孔尺寸的不同，也会对单位面积所提供的的吸附量产生一定的影响。因此，可以进一步将孔径尺寸和压力作为参数引入VOCs吸附量预测方程中，进一步分别对临界孔道尺寸前的填充式吸附的系数a和临界孔道尺寸后的覆盖式吸附的系数b的贡献进行校正，从而能够进一步提高方程预测的精确度。
本发明将孔径尺寸和压力作为参数引入基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程，即公式3：
Q＝f(DA,P)×ρ×VC+g(P)×SC 公式3；
公式3中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸，nm；其中DA＝4VC/(S-SC)，S为总比表面积，m2/g；
f(DA,P)表示填充式吸附的系数a是孔径尺寸DA和压力P的函数；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸以下的孔的孔容，cm3/g；
g(P)表示覆盖式吸附的系数b是压力P的函数；
SC为临界孔道尺寸以上的孔的比表面积，m2/g。
在本发明中，所述f(DA,P)满足f(DA,P)＝(a0+a1×(DA-D0)+a2×P)公式4；
公式4中，a0为系数a中不受孔径尺寸和压力变化影响的部分，无单位；a1为系数a中受孔径尺寸差异影响的部分的系数，nm-1；a2为系数a中受压力变化影响的部分的系数，mbar-1；D0为在临界孔径尺寸与临界压力之间的线性关系中当压力趋近于0时的孔径尺寸，nm；
g(P)满足g(P)＝(b0+b2×P)公式5；
公式5中，b0为系数b中不受孔径尺寸和压力变化影响的部分，g/m2；b2为系数b中受压力变化影响的部分，g/m2/mbar。
在本发明中，基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法示意图如图1所示。图1中，不同孔径尺寸的孔，在特定的吸附条件(特定VOCs种类、温度、压力)下，孔径尺寸小于临界孔径尺寸(DC)的孔发生了填充式吸附，而大于临界孔径尺寸(DC)的孔发生的是覆盖式吸附。利用商业化的仪器能够测试得到孔结构数据，分别得到小于临界孔径尺寸(DC)的所有孔道的孔容(VC＝V1+V2+...Vn)和大于临界孔径尺寸(DC)的所有孔道的比表面积(SC＝S1+S2+...+Sn)。根据通过本发明的方法所求出来的(VC)和(SC)的系数，能够得到用于特定VOCs的吸附量预测的方程，并且能够通过引入孔径尺寸和压力变化的影响，得到校正后的吸附量预测方程，此方程可以用于相同或相似吸附条件下的其他吸附材料对VOCs吸附量的预测。
下面结合实施例对本发明提供的基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
利用一系列孔径分布集中的有序介孔硅MCM-41材料为模型吸附材料，分别为MCM-41-2.6、MCM-41-3.0、MCM-41-3.4、MCM-41-3.8。利用商业的孔结构与比表面积测试仪通过DFT圆柱形孔计算模型得到材料的孔径分布，所得结果如图2所示，可以看出孔径分布分别集中在2.6nm、3.0nm、3.4nm、3.8nm。分别利用累积孔容和累积比表面积分布曲线，得到特定孔径尺寸范围内的孔的孔容，以及特定孔径尺寸范围内的孔的比表面积，其中特定孔径尺寸范围内的孔的孔容如图4所示，特定孔径尺寸范围内的孔的比表面积如图5所示。
利用智能重量分析仪(IGA)测试在25℃下系列吸附材料对苯的吸附量，得到吸附等温线。四个MCM-41吸附材料，对应的吸附等温线上发生快速上升的阶段的中间点对应的压力分别为9.7，14.0，20.3和25.0mbar，分别对应于四个吸附材料的最可几孔径尺寸2.6、3.0、3.4和3.8nm，如图6中实测吸附等温线和图2中孔径分布曲线所示。能够发现，吸附材料的孔径尺寸越大，其对应的发生填充式吸附所需要的压力也越大，压力与相对应的临界孔道尺寸之间存在线性关系，能够用于不同压力下对应的能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸的估算。根据MCM-41-2.6和MCM-41-3.8的两个吸附材料的参数(P＝9.7mbar，DC＝2.6nm)和(P＝25mbar，DC＝3.8nm)，带入临界孔道尺寸与压力点之间的一一对应关系的线性关系方程DC＝k×P+D0，得到其线性方程为DC＝0.0774*P+1.85，其中P为压力，DC为该压力下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸，能够根据该方程得到任一压力下对应的能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸，压力与临界孔道尺寸DC的线性关系如图3所示。
以MCM-41-2.6和MCM-41-3.8两个材料为例，推导20.3mbar压力下对应的吸附量预测方程。根据临界孔道尺寸与压力之间的线性方程DC＝0.0774*P+1.85，可以计算出20.3mbar时能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸为3.4nm。以该临界孔道尺寸3.4nm为分界线，在吸附材料MCM-41-2.6和MCM-41-3.8中，小于3.4nm的孔的临界孔容(VC)分别为0.55cm3/g和0.052cm3/g，大于3.4nm的孔的临界比表面积(SC)分别为3.2m2/g和960.0m2/g。在特定的压力下，吸附材料对VOCs的吸附量是两部分的加和，吸附量计算方程为：
Q＝a×ρ×VC+b×SC
利用MCM-41-2.6和MCM-41-3.8的吸附量和孔结构参数结果(Q＝0.401g/g，VC＝0.55cm3/g，SC＝3.2m2/g)和(Q＝0.319g/g，VC＝0.052cm3/g，SC＝960.0m2/g)可以得到方程组，解方程组得到的参数分别为：a＝0.833，b＝0.000293g/m2，得到的用于对VOCs吸附量进行预测的方程为：
Q＝0.833×ρ×VC+0.000293×SC
其中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量(g/g)，a为填充式吸附的系数，ρ为该温度下的液态VOCs的密度(苯25℃的密度为0.874g/cm3)，VC为临界孔道尺寸以下能够发生填充式吸附的孔的孔容(cm3/g)，b为覆盖式吸附的系数单位比表面积上VOCs的吸附量(g/m2)，SC为临界孔道尺寸以上发生覆盖式吸附的比表面积(m2/g)。
利用所得到的上述方程，分别将MCM-41-3.0和MCM-41-3.4两个吸附材料的临界孔容VC和临界比表面积SC带入方程中，得到根据孔结构参数预测的20.3mbar的压力下两个吸附材料对苯的吸附量分别为0.454g/g和0.400g/g。从而通过将实测吸附量与孔结构参数(Q，VC，SC)带入吸附量预测方程，得到四个吸附材料的预测吸附量，并将该预测吸附量数值与吸附仪测试得到的四个吸附材料在20.3mbar压力时的实际吸附量数值相对比，如表1所示。
表1四个吸附材料的孔结构参数、实测对苯吸附量和根据孔结构参数计算得到的苯吸附量的结果
通过该方程，根据MCM-41-3.0和MCM-41-3.4的孔结构参数，预测的吸附材料在20.3mbar的压力下对苯的吸附量结果分别为0.454g/g和0.400g/g，实际测试中在20.3mbar的压力下对苯的吸附量的结果为0.485和0.393g/g，预测吸附量与实际测试吸附量的相似度分别为93.5％和98.3％。
根据压力与临界孔道尺寸的对应关系方程DC＝0.0774*P+1.85，能够计算得到不同吸附压力所对应的临界孔道尺寸，分别计算出0～100mbar压力范围内，每个压力点对应的临界孔径尺寸DC。通过孔结构参数，分别计算出各压力点对应的临界孔径尺寸DC时，相对应的临界孔容VC和临界比表面积SC。分别将各压力点下对应VC和SC带入上述吸附量预测方程(Q＝0.833×ρ×VC+0.000293×SC)，能够预测出每个压力点对应的吸附量。利用上述吸附量计算方程(Q＝0.833×ρ×VC+0.000293×SC)，分别计算出0～100mbar压力范围内，各压力点的吸附量，得到预测的吸附等温线，所得结果如图6所示，预测的吸附等温线结果能够客观反映出吸附量随吸附压力变化的趋势。
图6为四个不同孔径尺寸吸附材料利用校正前的吸附量预测方程得到的预测的吸附等温线与实测的吸附等温线的对比。由图6可以看出，在相对较低的和相对较高的压力范围内均出现一定的偏离现象。在相对较低的压力范围内出现的偏差，主要是因为该压力范围内，对所使用的模型材料而言，单层吸附尚未形成，直接利用上述系数会导致预测值偏高，此压力范围内的面积前面的系数b应该是随压力增加而增加的趋势，即系数b是压力P的函数b＝g(P)。在相对较高的压力范围内的偏差，是由于随着压力的增加，吸附的苯分子发生重排而使密度增加，导致预测的吸附量略低于实际测得的吸附量，因此填充式吸附的系数a是压力P的函数。在孔径尺寸与VOCs分子尺寸较为接近的纳米范围内，较大的孔径尺寸能够允许分子发生充分的重排，而达到更接近于该温度下液态VOCs的密度，因此填充式吸附的系数a也是孔径尺寸D的函数。即填充式吸附的系数a是孔径尺寸D和压力P的函数a＝f(D,P)。因此，通过细化参数，引入压力变化和孔径尺寸的影响，将能够进一步校正预测结果，即后续实施例2。
实施例2
实施例1的吸附量计算方程Q＝a×ρ×VC+b×SC能够用于VOCs吸附量与吸附等温线的粗略预测，同时由于多孔材料对VOCs的吸附还会受到压力P和孔径尺寸D等因素的影响，因此能够通过进一步将压力和孔径尺寸的影响分别引入填充式吸附系数a和覆盖式吸附系数b中，进一步提高方程的精确度。
对于发生填充式吸附的部分，不同尺寸的孔中VOCs分子堆积的密度也会存在些许差异，较大的孔径尺寸中的VOCs分子能够充分重排，使得填充式吸附的VOCs的密度有所增加，因此在系数a中加入孔径校正因子0.05×(DA-1.85)，该校正因子是通过实施例1中不同孔径尺寸的吸附材料的在特定压力下的填充式吸附的吸附量的差值计算得到，其中DA＝4VC/(S-SC)，DA为特定压力下能够发生填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸，S为吸附材料的总比表面积，SC为大于临界孔道尺寸的孔的比表面积。随着吸附压力的增加，填充式吸附的VOCs分子能够在压力的作用下发生分子重排而使被吸附的VOCs的密度有略微增加，因此引入压力校正因子0.001×P，该校正因子根据较高相对压力下实施例1中的预测与实测等温线的差值计算得到。因此填充式吸附的系数a可以校正为a＝(0.8+0.05×(DA-1.85)+0.001×P)。在发生覆盖式吸附的孔结构中，同样随着压力的增加，单位面积上的吸附量也呈现出增加的趋势，因此在系数b中引入压力校正系数0.000015×P，因此覆盖式吸附的系数b可以校正为b＝(0.00005+0.000015×P)，该校正系数是根据实测吸附等温线的初始吸附阶段的吸附量随压力变化的趋势计算得到。因此，通过将孔径差异和压力的变化作为参数引入VOCs吸附量预测方程Q＝a×ρ×VC+b×SC中，分别对临界孔道尺寸前的填充式吸附和临界孔道尺寸后的覆盖式吸附对VOCs吸附量的贡献进行校正，从而能够提高方程预测的精确度。通过引入孔径尺寸和压力的影响，校正后的吸附材料在25℃对苯的吸附量预测方程为：
Q＝(0.8+0.05×(DA-1.85)+0.001×P)×0.874×VC+(0.00005+0.000015×
P)×SC
其中，Q为压力P时单位质量的吸附材料对苯的吸附量(g/g)，a为填充式吸附的系数(无单位)，ρ为该温度下的液态VOCs的密度(液态苯在25℃时的密度为0.874g/cm3)，VC为临界孔道尺寸以下能够发生填充式吸附的孔的孔容(cm3/g)，DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸(nm)由公式DA＝4VC/(S-SC)计算得出，b为覆盖式吸附的系数单位比表面积上VOCs的吸附量(g/m2)，SC为临界孔道尺寸以上发生覆盖式吸附的比表面积(m2/g)，S为总面积(m2/g)，P为吸附等温线上的任一压力点(mbar)，DC为特定压力P时能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸(nm)，能够利用方程DC＝0.0774*P+1.85解出P与DC的一一对应数值。结合吸附材料的孔结构参数分别求出任一临界孔径DC时的临界孔容VC和临界比表面积SC。将吸附等温线上各压力点的(P)数值及其与之对应的孔结构参数(VC、SC、S)带入吸附量预测方程，得到预测的吸附等温线。
利用校正后的吸附量预测方程，计算出四个模型吸附材料25℃时苯在吸附材料上随压力变化的吸附量，得到预测的吸附等温线，不同孔径尺寸吸附材料预测的吸附等温线与实测的吸附等温线如图7所示。由图7可以看出，预测的吸附等温线能够很好的与实验测试得到的实测吸附等温线重合。该吸附量预测方程，通过填充式吸附临界孔道尺寸的探究，将吸附材料对VOCs的吸附划分为填充式吸附和覆盖式吸附，结合孔径差异和压力变化对两种吸附方式系数的影响，得到校正后的吸附量与等温线预测方程。根据该方程，能够实现根据吸附材料的孔结构参数，预测出其对特定VOCs在相应温度下各个压力点的吸附量，得到吸附等温线，对VOCs吸附材料与技术的开发具有重要的参考价值。
实施例3
上述实施例2是在实施例1的基础上，引入压力和孔径尺寸的影响，对实施例1的VOCs吸附量预测方程进行了校正，能够有效用于苯在25℃下的吸附等温线的预测。从该吸附量预测方法的推导过程能够看出，该方法对于其他种类的VOCs同样适用。为验证该吸附量预测方法的可推广性，本实施例以乙酸乙酯作为吸附质，通过实施例2的方法推导乙酸乙酯在25℃下的吸附量预测方程，并用于吸附量与吸附等温线的预测。
利用实施例1中最可几孔径尺寸分别为3.0，3.4和3.8nm的三个MCM-41吸附材料，测试在25℃下系列吸附材料对乙酸乙酯的吸附量随压力变化的吸附等温线，利用实施例1的方法得到相应的吸附等温线上发生快速上升的阶段的中间点对应的压力分别为11.2，17.1和22.7mbar。利用实施例1的方法得到25℃下吸附材料对乙酸乙酯的吸附中，压力与相对应的能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸之间线性关系，方程式为DC＝0.0696×P+2.218nm，线性关系如图8所示。
通过实施例2的方法，结合MCM-41-3.0和MCM-41-3.8的实测吸附等温线与孔结构参数，引入孔径尺寸差异和压力变化的影响得到校正因子(a＝0.75+0.05×(DA-2.218)+0.001×P，b＝0.00023+0.00001×P)，从而得到25℃下吸附材料对乙酸乙酯的吸附量预测方程：
Q＝(0.75+0.05×(DA-2.218)+0.001×P)×0.90×VC+(0.00023+0.00001×P)×SC
其中，Q为压力P时单位质量的吸附材料对乙酸乙酯的吸附量(g/g)，a为填充式吸附的系数(无单位)，ρ为该温度下的液态VOCs的密度(乙酸乙酯25℃的密度为0.90g/cm3)，VC为临界孔道尺寸以下能够发生填充式吸附的孔的孔容(cm3/g)，DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸(nm)由公式DA＝4VC/(S-SC)计算得出，b为覆盖式吸附的系数单位比表面积上VOCs的吸附量(g/m2)，SC为临界孔道尺寸以上发生覆盖式吸附的比表面积(m2/g)，S为总比表面积(m2/g)，P为吸附等温线上的任何压力点(mbar)，DC为特定压力P时能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸(nm)，能够利用方程DC＝0.0696×P+2.218解出P与DC的一一对应数值。结合吸附材料的孔结构参数分别求出任一压力P对应的临界孔径DC时的临界孔容VC和临界比表面积SC。将吸附等温线上各压力点(P)的数值及其与之对应的孔结构参数(VC、SC、S)带入吸附量预测方程，得到预测的吸附等温线。
图9为不同孔径尺寸吸附材料预测的吸附等温线与实测的吸附等温线。能够发现预测与实测吸附等温线很好的重合，说明本发明的方法同样适用于其他VOCs(如乙酸乙酯)的吸附量和吸附等温线预测方程的推导与预测。总体而言，吸附量预测方程Q＝a×ρ×VC+b×SC的基本结构保持不变，即多孔材料对VOCs的吸附包括填充式吸附和覆盖式吸附两部分，通过引入压力变化和孔径尺寸差异的影响对两种吸附的系数进行校正。由于不同的VOCs的饱和蒸压、分子量、分子尺寸、沸点、极性等性质存在差异，因此填充式吸附和覆盖式吸附对应的系数(a和b)也会存在差异，同时压力变化和孔径尺寸差异对两种吸附方式的影响也存在差异。但总体而言，能够根据模型吸附材料对特定VOCs的吸附等温线和吸附材料的孔结构参数，推导出该特定VOCs的吸附量预测方程，表明本发明的VOCs吸附量与吸附等温线预测方法具有良好的可推广性。
实施例4
从吸附量预测方程的推导方法能够判断出，该吸附量预测方法不受VOCs种类和吸附温度的限制，具有良好的可推广性。为进一步验证该吸附量预测方法的可推广性，本实施例以丙酮作为吸附质，测试在35℃下系列吸附材料对丙酮的吸附量随压力变化的曲线，结合孔结构参数与吸附等温线，推导吸附量预测公式。
利用实施例1中最可几孔径尺寸分别为3.0，3.4和3.8nm的三个MCM-41吸附材料，相应的吸附等温线上发生快速上升的阶段的中间点对应的压力分别为54.2，95.4和137.1mbar。
利用实施例1的方法，得到35℃下吸附材料对丙酮的吸附中，压力与相对应的能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸之间线性关系，方程式为DC＝0.0103×P+2.4nm，线性关系如图10所示。通过实施例2的方法，引入孔径和压力的校正因子(a＝0.53+0.2×(DA-2.4)+0.0003×P，b＝0.00018+0.0000014×P)，得到35℃下吸附材料对丙酮的吸附量预测方程：
Q＝(0.53+0.2×(DA-2.4)+0.0003×P)×0.773×VC+(0.00018+0.0000014×
P)×SC
其中，Q为定压力P时单位质量的吸附材料对丙酮的吸附量(g/g)，a为填充式吸附的系数(无单位)，ρ为该温度下的液态VOCs的密度(液态丙酮35℃时的密度为0.773g/cm3)，VC为临界孔道尺寸以下能够发生填充式吸附的孔的孔容(cm3/g)，DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸(nm)由公式DA＝4VC/(S-SC)计算得出，b为覆盖式吸附的系数单位比表面积上丙酮的吸附量(g/m2)，SC为临界孔道尺寸以上发生覆盖式吸附的比表面积(m2/g)，S为总面积(m2/g)，P为吸附等温线上的任何压力点(mbar)，DC为特定压力P时能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸(nm)，能够利用方程DC＝0.0103×P+2.4解出P与DC的一一对应数值，结合吸附材料的孔结构参数分别求出任一压力P对应的临界孔径DC时的临界孔容VC和临界比表面积SC。
将吸附等温线上各压力点(P)的数值及其与之对应的孔结构参数(VC、SC、S)带入吸附量预测方程，计算35℃时丙酮在吸附材料上随压力变化的吸附量，得到预测的吸附等温线。图11为不同孔径尺寸吸附材料预测的吸附等温线与实测的吸附等温线，由图11可以看出，本发明提供的预测方法能够很好的与实验测试得到的吸附等温线重合。
能够发现本发明的方法同样适用于其他VOCs(如丙酮)在其他温度下(如35℃)的吸附量和吸附等温线预测方程的推导与预测。总体而言，吸附量预测方程Q＝a×ρ×VC+b×SC的基本结构保持不变，即多孔材料对VOCs的吸附包括填充式吸附和覆盖式吸附两部分，通过引入压力的变化和孔径尺寸差异的影响对两种吸附的系数进行校正。由于吸附温度对VOCs的吸附过程具有重要影响，且不同的VOCs的饱和蒸压、分子量、分子尺寸、沸点、极性等性质存在差异，因此填充式吸附和覆盖式吸附对应的系数(a和b)也会存在不同，压力变化和孔径尺寸对两种吸附方式的影响也存在差异。但总体而言，能够根据模型吸附材料对特定VOCs的吸附等温线和吸附材料的孔结构参数，推导出该特定VOCs在特定吸附温度下的吸附量预测方程，表明本发明的VOCs吸附量与吸附等温线预测方法具有良好的可推广性。
实施例5
为进一步验证所得到的吸附量预测方程能够应用于其他常规吸附材料在特定温度下对特定VOCs的吸附量与吸附等温线的预测。本实施例以不具有集中孔径分布的多孔氧化硅材料为吸附材料，利用实施例2所得到在25℃下对苯的吸附量预测方程，验证方程对于其他非集中孔径分布的吸附材料的适用性。
实施例2中，在25℃下对苯的吸附量预测方程：
Q＝(0.8+0.05×(DA-1.85)+0.001×P)×0.874×VC+(0.00005+0.000015×P)×SC
其中，Q为压力P时单位质量的吸附材料对苯的吸附量(g/g)，ρ为该温度下的液态VOCs的密度(液态苯25℃时的密度为0.874g/cm3)，VC为临界孔道尺寸以下能够发生填充式吸附的孔的孔容(cm3/g)，DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸(nm)，SC为临界孔道尺寸以上发生覆盖式吸附的比表面积(m2/g)，P为吸附等温线上的任何压力点(mbar)，DC为特定压力P时能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸(nm)。
利用实施例2中校正后的吸附量预测方程，计算出25℃时苯在多孔氧化硅吸附材料上随压力变化的吸附量，得到预测的吸附等温线。图12为不具有集中孔径分布的多孔氧化硅吸附材料的预测吸附等温线与实测吸附等温线的对比。由图12可以看出，本发明提供的预测方法能够很好的与实验测试得到的吸附等温线重合。
能够发现本发明的方法同样适用于其他不具有集中孔径分布的吸附材料在特定温度下对特定VOCs的吸附量与吸附等温线的预测。利用实施例2中硅基吸附材料得到的吸附量预测方程，能够直接用于其他不具有集中孔径分布的硅基吸附材料(如多孔氧化硅)的吸附量的预测。因此在材料的组成与表面性质比较相似的情况下，能够将相同测试条件下得到的吸附量预测方程直接用于其他吸附材料的吸附量与吸附等温线的预测。表明本发明的VOCs吸附量与吸附等温线预测方法具有良好的可推广性。
实施例6
为进一步验证所得到的吸附量预测方程能够应用于其他不同表面性质的吸附材料在特定温度下对特定VOCs的吸附。本实施例以椰壳活性炭、活性炭纤维为吸附材料，在实施例2所得到在25℃下对苯的吸附量预测方程的基础上，通过结合表面性质与VOCs作用强弱的差异对系数a进行调整，用于碳基吸附材料上VOCs吸附量的预测，验证方程对于不同表面性质的吸附材料的吸附量预测的可扩展性。
由于炭材料表面拥有丰富的π共轭结构，能够与苯分子发生π-π共轭，苯分子在炭材料上的吸附，能够发生充分的重排，导致在单位容积内能够吸附更多的苯，因此相较于硅基吸材料，碳基吸附材料的填充式吸附的系数a中的a0有所增加。利用实施例2中硅基吸材料上25℃下对苯的吸附量预测方程得到炭材料上校正前的预测吸附等温线，通过将其与实测的炭材料上的吸附等温线的对比，能够推算出a0由0.8变为0.95，从而得到炭材料上25℃下对苯的吸附量预测方程：
Q＝(0.95+0.05×(DA-1.85)+0.001×P)×0.874×VC+(0.00005+0.000015×P)×SC
其中，Q为压力P时单位质量的吸附材料对苯的吸附量(g/g)，ρ为该温度下的液态VOCs的密度(液态苯25℃时的密度为0.874g/cm3)，VC为临界孔道尺寸以下能够发生填充式吸附的孔的孔容(cm3/g)，DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸(nm)，SC为临界孔道尺寸以上发生覆盖式吸附的比表面积(m2/g)，P为吸附等温线上的任何压力点(mbar)，DC为特定压力P时能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸(nm)。
在实施例2中的通过硅基吸附材料得到的吸附量预测方程的基础上，通过加入碳基吸附材料与苯相互作用的差异调整填充式吸附的系数a中的a0，得到适用于炭材料吸附苯的吸附量预测方程。利用方程计算25℃时苯在椰壳活性炭、活性炭纤维上随压力变化的吸附量，得到预测的吸附等温线。图13为椰壳活性炭、活性炭纤维吸附材料预测与实测的吸附等温线。由图13可以看出，本发明提供的预测方法得到的吸附等温线能够很好的与实验测试的实测吸附等温线重合。
能够发现本发明的方法，通过引入吸附材料表面性质与VOCs分子的相互作用关系的差异，能够将VOCs吸附量预测方程扩展到其他具有不同组成和表面性质的吸附材料对特定VOCs的吸附量预测。总体而言，吸附量预测方程Q＝a×ρ×VC+b×SC的基本结构保持不变，即多孔材料对VOCs的吸附包括填充式吸附和覆盖式吸附两部分，通过引入压力和孔径尺寸的影响对两种吸附的系数进行校正。由于不同种类的吸附材料的表面性质与特定种类的VOCs之间存在的相互作用力不同，导致吸附量预测方程中填充式吸附的系数a会存在一定的差异，能够通过预测与实测吸附等温线的对比，对系数a进行调整，进而扩展得到其他吸附材料对特定VOCs的吸附量预测方程。能够在模型吸附材料推导出的VOCs的吸附量预测方程的基础上，进一步得到该特定VOCs在其他种类的吸附材料上的吸附量预测方程，表明本发明的VOCs吸附量与吸附等温线预测方法具有良好的可扩展性。
总之，基于多孔材料对VOCs的吸附包括填充式吸附和覆盖式吸附两部分的理论基础，根据填充式吸附的吸附量与密度以及发生了填充式吸附的孔容相关，而覆盖式吸附的吸附量与发生了覆盖式吸附的比表面积相关，得到吸附量预测方程的基本结构Q＝a×ρ×VC+b×SC，并且通过引入压力和孔径尺寸的影响对两种吸附的系数进行校正，得到校正后的吸附量和吸附等温线预测方程。该方程能够用于相同或相似吸附条件下，具有集中孔径分布的模型吸附材料、不具有集中孔径分布的常规吸附材料等的VOCs的吸附量与吸附等温线的预测。结合特定VOCs与不同吸附材料表面作用强弱的差异，本发明的方法能够用于表面性质存在差异的其他不同种类的吸附材料，对特定VOCs吸附量的预测方程的推导与调整，实现相应吸附材料在特定的吸附条件下对特定VOCs的吸附量与吸附等温线的预测。表明本发明的VOCs吸附量与吸附等温线预测方法具有良好的可推广性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量的预测方法，包括以下步骤：
(1)提供2个或2个以上具有集中孔径分布的多孔材料为吸附材料；
(2)测试一个吸附材料的孔结构参数，测试在特定吸附温度下该吸附材料对特定VOCs的吸附等温线，得到任一压力下该吸附材料的吸附量Q；所述孔结构参数包括孔径分布、特定孔径尺寸范围内的孔容、特定孔径尺寸范围内的比表面积；
(3)根据所述吸附等温线获得该吸附材料发生填充式吸附时所对应的压力区间，取所述压力区间的中间值作为临界压力点PC，将所述临界压力点PC与该吸附材料的孔径分布的中间值相对应，将该孔径分布的中间值作为临界压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸DC；
(4)以所述临界孔道尺寸DC为分界点，根据孔结构测试的结果分别得到所述吸附材料在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容VC和临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积SC；
(5)所述吸附量Q、孔容VC、比表面积SC满足基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程Q＝f(VC,SC)，即公式1：
Q＝f(VC,SC)＝a×ρ×VC+b×SC 公式1；
公式1中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
a为填充式吸附的系数，无单位；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容，cm3/g；
b为覆盖式吸附单位比表面积上VOCs的吸附量，g/m2；
SC为临界孔道尺寸DC以上的孔的比表面积，m2/g；
(6)在相同的吸附温度下测试其余吸附材料，按照步骤(2)～(4)获得其余吸附材料对应的吸附量Q、孔容VC、比表面积SC，带入至公式1中获得a和b的具体数值，获得基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括：
利用商业化的比表面积与孔隙结构分析仪的测试，通过DFT圆柱形孔的计算模型，获得吸附材料的孔结构参数。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，根据所述2个或以上具有集中孔径分布的吸附材料的压力点和对应的临界孔道尺寸DC，获得所述压力点PC和临界孔道尺寸DC的线性关系曲线，即公式2：
DC＝k×PC+D0 公式2；
公式2中，DC为压力点PC下能够发生填充式吸附的临界孔道尺寸，nm；
k为临界孔径尺寸与压力之间线性关系的斜率，nm/mbar；
D0为线性关系中当压力趋近于0时DC的数值，nm；
根据公式2，结合吸附材料的孔结构参数分别求出任一临界孔径DC时对应的临界孔道尺寸以下的孔的孔容VC和临界孔道尺寸以上的孔的比表面积SC。
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，还包括将不同吸附材料孔径尺寸大小的差异和压力的变化作为参数引入基于填充式吸附的挥发性有机物吸附量预测方程，进行校正和扩展，得到任一压力下的吸附量预测，即公式3：
Q＝f(DA,P)×ρ×VC+g(P)×SC 公式3；
公式3中，Q为单位质量的吸附材料对VOCs的吸附量，g/g；
DA为发生了填充式吸附的孔道的平均孔径尺寸，nm；其中DA＝4VC/(S-SC)，S为总比表面积，m2/g；
f(DA,P)表示填充式吸附的系数a是孔径尺寸DA和压力P的函数；
ρ为该特定吸附温度下的液态VOCs的密度，g/cm3；
VC为在临界孔道尺寸DC以下的孔的孔容，cm3/g；
g(P)表示覆盖式吸附的系数b是压力P的函数；
SC为临界孔道尺寸以上的孔的比表面积，m2/g。
5.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述f(DA,P)满足公式4：
f(DA,P)＝(a0+a1×(DA-D0)+a2×P) 公式4；
公式4中，a0为系数a中不受孔径尺寸和压力变化影响的部分，无单位；
a1为系数a中受孔径尺寸差异影响部分的系数，nm-1；
a2为系数a中受压力变化影响部分的系数，mbar-1；
D0为在临界孔径尺寸与临界压力之间的线性关系中当压力趋近于0时的DC数值，nm；
g(P)满足公式5：
g(P)＝(b0+b2×P) 公式5；
公式5中，b0为系数b中不受孔径尺寸和压力变化影响的部分，g/m2；
b2为系数b中受压力变化影响部分的系数，g/m2/mbar。
6.根据权利要求1或4所述的预测方法，其特征在于，所述吸附材料为有序介孔硅、有序介孔炭和分子筛中的一种或几种。
7.根据权利要求1或4所述的预测方法，其特征在于，所述VOCs为烃类有机物、含氧有机物、含卤有机物、含氮有机物和含硫有机物中的一种。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003083945A (ja) * 2001-09-14 2003-03-19 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 多孔質吸着材の吸着性能予測方法
KR20090082086A (ko) * 2008-01-25 2009-07-29 한경대학교 산학협력단 편미분방정식을 이용한 흡착공정 시뮬레이션의 방법
CN104927028A (zh) * 2014-03-18 2015-09-23 中国科学院生态环境研究中心 一种大比表面积多孔吸附树脂
CN105203440A (zh) * 2015-09-14 2015-12-30 大连理工大学 一种基于吸液驱气原理测定炭分子筛变压吸附气体分离性能的方法
CN105424580A (zh) * 2016-01-14 2016-03-23 太原理工大学 一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法
CN108079956A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 韩会义 一种新型多级微/介孔固态胺吸附剂
CN108345766A (zh) * 2018-01-11 2018-07-31 大连理工大学 一种基于吸液驱气过程表征多孔材料微孔结构的方法
CN108446526A (zh) * 2018-05-22 2018-08-24 中国地质大学（武汉） 基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法
CN109799176A (zh) * 2019-01-21 2019-05-24 清华大学 一种精确测量气体在多孔材料孔道内吸附的分析方法
CN110534161A (zh) * 2019-08-29 2019-12-03 西南石油大学 吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法
CN112435717A (zh) * 2020-10-31 2021-03-02 东南大学 一种活性炭对挥发性有机物吸附容量的预测方法
CN115235974A (zh) * 2022-07-14 2022-10-25 广州海洋地质调查局 一种水合物泥质粉砂甲烷吸附模型构建方法及实验装置
CN115791507A (zh) * 2022-11-08 2023-03-14 南开大学 一种吸附剂的吸附质吸附量确定方法及系统
CN116090368A (zh) * 2023-02-17 2023-05-09 上海理工大学 吸附式空气过滤元件长期效率预测方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7421885B2 (en) * 2004-06-28 2008-09-09 Air Products And Chemicals, Inc. Method for characterizing porous low dielectric constant films
CN103189135B (zh) * 2010-10-29 2015-01-14 Lg化学株式会社 挥发性有机化合物的吸附剂以及使用该吸附剂的吸附方法
WO2014062470A1 (en) * 2012-10-19 2014-04-24 California Institute Of Technology Nanostructured carbon materials for adsorption of methane and other gases
JP2016520412A (ja) * 2013-03-15 2016-07-14 ハイコア テクノロジーズ インク．Ｈｉｃｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ． 炭化水素ガス混合物の吸着に関連する方法、材料ならびに装置
US20170262559A1 (en) * 2016-03-11 2017-09-14 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Methods and Systems for Simulating Nanoparticle Flux
US11161745B2 (en) * 2016-07-22 2021-11-02 China Petroleum And Chemical Corporation Carbon-based porous material and preparation method and use thereof
JP6607475B2 (ja) * 2018-04-26 2019-11-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ガス拡散シミュレーション方法及び装置
US11275031B2 (en) * 2018-11-16 2022-03-15 Clemson University Porous waveguide sensors featuring high confinement factors and method for making the same

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003083945A (ja) * 2001-09-14 2003-03-19 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 多孔質吸着材の吸着性能予測方法
KR20090082086A (ko) * 2008-01-25 2009-07-29 한경대학교 산학협력단 편미분방정식을 이용한 흡착공정 시뮬레이션의 방법
CN104927028A (zh) * 2014-03-18 2015-09-23 中国科学院生态环境研究中心 一种大比表面积多孔吸附树脂
CN105203440A (zh) * 2015-09-14 2015-12-30 大连理工大学 一种基于吸液驱气原理测定炭分子筛变压吸附气体分离性能的方法
CN105424580A (zh) * 2016-01-14 2016-03-23 太原理工大学 一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法
CN108079956A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 韩会义 一种新型多级微/介孔固态胺吸附剂
CN108345766A (zh) * 2018-01-11 2018-07-31 大连理工大学 一种基于吸液驱气过程表征多孔材料微孔结构的方法
CN108446526A (zh) * 2018-05-22 2018-08-24 中国地质大学（武汉） 基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法
CN109799176A (zh) * 2019-01-21 2019-05-24 清华大学 一种精确测量气体在多孔材料孔道内吸附的分析方法
CN110534161A (zh) * 2019-08-29 2019-12-03 西南石油大学 吸附质气体吸附相密度模型构建及绝对吸附量计算方法
CN112435717A (zh) * 2020-10-31 2021-03-02 东南大学 一种活性炭对挥发性有机物吸附容量的预测方法
CN115235974A (zh) * 2022-07-14 2022-10-25 广州海洋地质调查局 一种水合物泥质粉砂甲烷吸附模型构建方法及实验装置
CN115791507A (zh) * 2022-11-08 2023-03-14 南开大学 一种吸附剂的吸附质吸附量确定方法及系统
CN116090368A (zh) * 2023-02-17 2023-05-09 上海理工大学 吸附式空气过滤元件长期效率预测方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Critical role of small micropores in high CO2 uptake";Zhongshen Zhang;《Phys. Chem. Chem. Phys》;第15卷;2523--2529 *
"Prediction of breakthrough curves for adsorption on activated carbon fibers in a fixed bed";Tongbao Cheng;《carbon》;第42卷;3081-3085 *
"活性炭吸附室内环境中典型气态污染物的 实验及预测研究";任强;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技I辑》;1-71 *
"Gaseous adsorption of hexamethyldisiloxane on carbons: Isotherms, isosteric heats and kinetics";Gang Wang;《Chemosphere》;第247卷;125862-1-125862-9 *
超临界条件下甲烷在纳米活性炭表面的吸附机理;郭亮;吴占松;;物理化学学报;20080515(第05期);737-742 *

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Publication number Publication date
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