摘要: 挥发性有机化合物(VOCs)所造成的污染是大气污染的一个主要来源之一。它严重地危害人体的健康，破坏人类生存的生态环境，威胁着人类社会的可持续发展。如近年来垃圾焚烧过程中产生的低挥发性剧毒有机物二恶英，它在极低的浓度下，就可以引起人体染色... 展开 挥发性有机化合物(VOCs)所造成的污染是大气污染的一个主要来源之一。它严重地危害人体的健康，破坏人类生存的生态环境，威胁着人类社会的可持续发展。如近年来垃圾焚烧过程中产生的低挥发性剧毒有机物二恶英，它在极低的浓度下，就可以引起人体染色体损伤、癌症、畸形等顽症，破坏人体的免疫系统，引起了社会公众和政府的高度重视。因此，治理挥发性有机污染物刻不容缓，对其治理方法进行研究具有重大的社会意义。 吸附是以多孔材料为核心的环境污染治理技术，具有操作简单、工艺成熟、适用范围广等优点，被认为是最有潜力实现大规模工业化的挥发性有机污染物的治理技术之一。但是，吸附技术仍存在着吸附剂吸附饱和后，吸附质脱附较困难或再生能耗较高的问题。因此，如何强化脱附已成为国际上吸附科学与技术领域中极为引人关注的课题。近年来，微波化学的研究已取得重大进展，在合成化学、分析化学、微波等离子材料合成技术和微波干燥等领域的研究日益增多、应用范围不断扩大。微波具有不需媒体就能对物质进行选择性快速加热的特点，微波场在吸附剂再生方面存在着很好的发展前景。本文提出微波强化脱附，研究微波辐射强化脱附理论、模型和技术，不仅具有重要的科学研究意义，而且有广泛的实际应用前景。 本文以本征动力学为基础，推导了基于程序升温脱附(TPD)的脱附活化能估算模型。分别以甲醇代表易挥发性有机污染物和以二恶英(二苯并呋喃)代表低挥发性有机污染物，以活性炭、碳分子筛和高聚物树脂作为吸附剂，进行TPD实验并测定得到相应的TPD曲线，估算得到相应的脱附活化能，结果表明：(1)二苯并呋喃在碳分子筛上的脱附活化能大于它在活性炭上的脱附活化能，表明碳分子筛对二苯并呋喃的吸附能力大于活性炭对它的吸附能力，因为它比活性炭有更发达的微孔；(2)活性炭的孔径大小和比表面积对脱附活化能有影响，活性炭的微孔越发达，比表面积越大，它对二苯并呋喃的吸附能力越强，脱附活化能也就越大；(3)在活性炭吸附剂上，二苯并呋喃的脱附活化大于甲醇的脱附活化能，这表明低挥发性有机污染物的脱附活化能要大于易挥发性有机污染物的脱附活化能。 本文以微分床脱附的本征动力学为基础，首次建立了微波场下的脱附速率模型和脱附活化能的估算模型以及计算方法。分别进行微波辐射下的微分床脱附实验并测定得到相应的脱附速率曲线；分别测定活性炭床层和高聚物吸附剂床层的温度随微波辐射时间的变化曲线；估算出VOCs在微波场条件下的脱附活化能。结果表明：(1)由于活性炭材料吸收微波的能力大于高聚物树脂吸收微波的能力，因此在微波辐射下，活性炭床层的温升幅度大于高聚物树脂床层的温升幅度；(2)微波辐射下，无论是甲醇-高聚物体系还是甲醇-活性炭体系，甲醇的脱附活化能均小于它在常规加热下的脱附活化能，而且吸附剂床层的温度也低于常规加热条件下床层的温度，而甲醇的脱附速率却远高于采用常规加热脱附的速率，脱附流出峰不仅快，而且浓度高，尤其是甲醇-活性炭体系。这些新的发现，对于理解微波强化脱附的机理和指导微波辐射脱附技术的应用有着重要意义，这是本文的重要创新之处。 本文还分析比较了微波辐射对吸附剂孔结构和比表面积的影响，结果表明：经微波辐射后，高聚物吸附树脂的比表面积和孔容发生微小的减少变化，碳分子筛的孔结构和比表面积几乎不变，对活性炭孔结构和比表面积的影响也很小。 本文首次提出程序升温色谱(TPC)技术测定吸附相平衡常数和平衡吸附量。推导了积分床吸附柱的TPC数学模型，采用FAD-SMT模型假设，将TPC数学模型中复杂的二阶偏微分方程组简化为常微分方程组和简单的偏微分方程来进行数值计算，根据TPC实验数据，采用单纯形模拟寻优，求得吸附相平衡方程和传质速率方程中各参数的最佳值，并在不同的柱长下对所估算参数进行实验验证，结果表明：计算机模拟计算得到的TPC流出曲线与实验TPC的流出曲线基本吻合，表明用所建立的TPC模型和方法估算出的吸附相平衡参数和动力学参数是较准确的。这对于应用TPC模型测定低挥发性有机物的吸附相平衡和动力学参数有借鉴意义，这也是本文的新意之处。 本文对所测定的热力学和动力学参数进行灵敏度分析，比较各参数对TPC过程影响程度的大小以及它们的精度，结果表明：对于甲醇-活性炭体系和二苯并呋喃-活性炭体系，相平衡常数的指前因子K<,epuo>对TPC过程的影响最大；气固相间总传质系数的指前因子k<,o>和最大吸附量q<,m>对TPC过程的影响次之；模拟优化所得的各参数值中，K<,epuo>的精度最高，k<,o>和q<,m>的精度次之。 本文首次估算出二苯并呋喃(二恶英类物质)在活性炭上的吸附等温线。结果表明：在常温下，活性炭对二苯并呋喃在较低的浓度下有较大的平衡吸附量，适用于气相中低挥发性有机污染物的吸附净化，而在较高温度下，其平衡吸附量急剧下降，容易脱附，可以通过加热或微波辐射进行脱附。这一成果对于研究活性炭吸附二恶英的机理和应用有重要指导意义。 收起