被动采样器监测大气VOCs 的吸附剂选择对比实验

引言

挥发性有机化合物（VOCs）作为大气中的关键污染物，对空气质量、气候变化及人体健康影响重大。其能参与光化学反应，生成臭氧及二次有机气溶胶，是形成光化学烟雾与霾的重要前体物。准确监测大气中 VOCs 的浓度与组成，对评估其环境影响、制定防控策略至关重要。被动采样器因操作简便、成本低廉、无需动力等优势，在大气 VOCs 监测中应用渐广。而吸附剂作为被动采样器的核心部件，其性能优劣直接关乎采样效果与监测数据的准确性 。

一、实验材料与方法

（一）吸附剂选取

实验选用多种常见吸附剂，包括活性炭、碳分子筛（如 Carboxen1000、Carboxen 1016）、 分 子 筛（ 如 5A 分 子 筛、NaY 分 子 筛）、Tenax 系列（如 Tenax TA）等。这些吸附剂具有不同的物理化学性质，如比表面积、孔径分布、表面官能团等，有望对 VOCs 展现出各异的吸附性能 。

（二）实验装置搭建

构建实验室模拟采样系统，包含气体发生装置、配气系统、采样腔室等。利用气体发生装置产生不同种类及浓度的 VOCs 气体，经配气系统精确配比后，通入采样腔室 。采样腔室内设置多个采样位点，用于放置装有不同吸附剂的被动采样器。在实际大气环境监测时，将被动采样器布设于不同监测点位，确保其能有效采集大气中的 VOCs^[1]

二、吸附剂性能评估指标

（一）吸附容量测定

吸附容量是衡量吸附剂对 VOCs 富集能力的核心指标，通过监测不同吸附剂在特定时间内的 VOCs 吸附总量进行评估。实验室内采用模拟环境测试：将配置好的 VOCs 气体按设定条件通入密闭采样腔室，使气体与吸附剂充分接触，经过规定的采样时长后，取出装载吸附剂的采样管，利用热脱附 - 气相色谱联用技术对吸附剂上捕获的 VOCs 进行定性定量分析，计算单位质量吸附剂的吸附量。在实际大气环境采样中，采用相同的操作流程与分析方法，测定吸附剂对自然大气中复杂 VOCs 混合体系的实际吸附量，综合评价其在真实场景中的吸附能力。

（二）选择性分析

吸附选择性反映吸附剂对不同类型 VOCs 的吸附偏好，是评估其针对性富集能力的关键指标。通过对比分析不同吸附剂对各类 VOCs 的吸附比例开展研究，重点考察对烷烃、烯烃、芳烃、卤代烃等主要类别 VOCs 的吸附差异。深入分析吸附剂对不同官能团（如羟基、羰基、卤素等）及不同分子结构（如直链、支链、环状结构）VOCs 的吸附选择性差异，明确其在复杂混合体系中对目标污染物的优先吸附能力，为特定场景下吸附剂的选型提供依据 [2]。

（三）解吸特性研究

解吸特性直接影响吸附剂的重复使用效率与检测准确性，需重点研究 VOCs 在热脱附过程中的解吸行为。通过控制热脱附实验中的关键参数，系统测定不同解吸温度、解吸时间条件下 VOCs 的解吸率，分析解吸条件对解吸效果的影响规律。研究需确保吸附剂在设定的热脱附程序下，能将吸附的 VOCs 高效、完全地释放，避免因解吸不完全导致的检测误差，同时验证吸附剂经多次吸附 - 解吸循环后的性能稳定性，保障其在长期使用中的可靠性。

三、实验结果与讨论

（一）吸附容量结果

实验数据显示，活性炭对多数 VOCs 具有较高的吸附容量，尤其对分子结构较为复杂、分子量较大的 VOCs 吸附效果突出。活性炭内部存在大量相互连通的微孔结构，这些微孔的孔径分布范围较广，能够适配不同分子尺寸的 VOCs。其较大的比表面积为 VOCs 分子提供了充足的吸附位点，通过范德华力与 VOCs 分子形成较强的相互作用，从而实现高效吸附。相比之下， 系列碳分子筛对小分子烃类（如 C2 -C5 烃类）展现出良好的吸附能力。这类碳分子筛经过特殊工艺制备，具有均匀且密集的微孔结构，其孔径大小与小分子烃类的分子直径更为匹配，加之表面具有一定的极性位点，能够通过分子间作用力对小分子烃类形成稳定吸附，有效避免了小分子因扩散速率过快而导致的吸附量不足问题。

（二）选择性结果

分子筛类吸附剂（如 5A 分子筛、NaY 分子筛）对具有特定分子尺寸与形状的 VOCs 表现出显著的选择性。分子筛具有规整的晶体结构，内部形成均匀的孔道体系，这种精确的孔径尺寸使其能够对分子直径小于该数值的 VOCs 产生强烈吸附，而分子直径超过该数值的 VOCs 则难以进入孔道内部，从而实现对不同大小分子的有效区分。这种基于分子尺寸的筛分作用是分子筛选择性吸附的核心机制 [3]。而 Tenax TA作为一种聚合物吸附剂，其表面含有丰富的酯基等官能团，这些官能团能够与具有极性的 VOCs 分子之间形成氢键或 相互作用，因此对一些含有羟基、羰基等极性基团的 VOCs 表现出较好的选择性吸附性能，这种选择性主要源于吸附剂与被吸附物之间的化学作用力差异。

（三）解吸特性结果

在解吸特性方面，不同吸附剂差异明显。部分吸附剂在较低解吸温度下即可实现较高的解吸率，如某些改性活性炭。改性处理能够调节活性炭表面的化学性质，降低其与 VOCs 分子之间的相互作用强度，使得 VOCs 分子在较低温度下就能获得足够能量脱离吸附位点。而一些吸附剂则需要较高的解吸温度与较长的解吸时间才能达到理想的解吸效果，如部分分子筛吸附剂。分子筛与 VOCs 之间的吸附作用较强，尤其是对极性分子的吸附，需要更高的能量才能打破两者之间的相互作用。过高的解吸温度可能导致部分热稳定性较差的 VOCs 发生分解，同时也可能使吸附剂的晶体结构遭到破坏，导致其吸附性能下降。因此在实际应用中需根据吸附剂特性优化解吸条件，在保证解吸效率的同时避免 VOCs 损失与吸附剂性能衰减。

结语

本研究通过对多种吸附剂在被动采样监测大气 VOCs 中的性能对比，明确了不同吸附剂在吸附容量、选择性和解吸特性等方面的差异。活性炭在吸附容量上表现优异，Carboxen 系列碳分子筛对小分子烃类吸附良好，分子筛类吸附剂具有独特的选择性，Tenax TA 对极性 VOCs有一定选择性。在实际应用中，应根据监测目标 VOCs 的种类、浓度及环境条件，综合考量吸附剂的各项性能，选择最适宜的吸附剂，以提升大气 VOCs 被动采样监测的准确性与可靠性 。

参考文献

[1] 李津津 . 疏水碳基吸附剂制备及其对高湿环境下 VOCs 的吸附性能 [D]. 东南大学 ,2023.

[2] 陈韦 . 吸附法采样器流量试验装置的研制及应用 [D]. 中国计量大学 ,2022.

[3] 赵玥 . 常用吸附剂及其在超重力场中吸附甲苯（VOCs）的研究[D]. 中北大学 ,2022.