5.5.1 吸附除臭的基本原理
吸附剂表面的原子不像物质内部原子那样与周围结合在一起，因此自由能（界面自由能）就变大了。所以，表面原子就会与邻近的分子和离子等化学元素结合，以减小自由能，这种现象叫作吸附［83-85］。吸附现象包括基于范德华力的物理吸附和利用共价键的化学吸附。物理吸附比较弱，可以在温度和压力的控制下发生可逆反应。化学吸附强度大，吸附物质的电子状态也会发生变化，因此有时会进行催化剂反应。物理、化学吸附特性见表5-8。
表5-8 物理、化学吸附
流体中的浓度与固体表面的浓度在各自的化学潜能相匹配时可形成吸附平衡关系。作为在一定温度下的物理吸附的平衡关系的吸附等温式有朗缪尔方程、弗洛德里希方程，多层吸附的情况下有朗缪尔方程的扩展方程BET（Brunauer-Emmett-Teller）。吸附等温线（可以知道一定温度下的最大吸附量）的示意图如图5-15所示。
图5-15 等温吸附线示意图
1）活性炭
活性炭是经过活化除臭后的炭，比表面积大，孔隙多，其表面原子通过络合作用、氢键、离子交换等多种方式吸附恶臭气体［86，87］。活性炭可分为活性炭纤维（ACF）和颗粒状活性炭（GAC）两类。其中，ACF以有机纤维为前驱体通过不同途径制得，其微孔孔道长度比GAC小2～3个数量级。同时，ACF中全为开放孔，具有更大的有效比表面积，故吸附效率更高。据实践证明，ACF对VOCs的吸附率可达90%以上且适用寿命更长。但是活性炭对VOCs的吸附效果会受到温度、表面酸度、活性炭湿气、空气湿度、灰尘等多种因素的影响，因此气体温度需要在40℃以下，并提前去除灰尘和水汽［88］。
除了对VOCs的有效吸附外，对无机气体也有一定的去除效果。研究表明，活性炭对硫化氢的吸附容量约为10 kg/m3。硫化氢被吸附在活性炭表面以后，会发生化学氧化，且活性炭此时也具有催化功能，从而加强对硫化氢的吸附能力。活性炭对氨气的吸附能力为0.6 mg-N/g-干活性炭，活性炭对NH3的吸附过程符合下述公式：
式中 C0——进口NH3浓度（mg/L）；
Ce——在泄露时期望NH3浓度（mg/L）；V——水力符合（cm/h）；
t——运行时间（h）；
X——床层深度（cm）；
N0——吸附能力（mg/L）；
K——吸附速率常数（L/mg/h）。
从图5-16所示氨气的吸附平衡与温度之间的关系可以看出，温度越低，吸附量越高。
图5-16 吸附平衡和温度的关系（活性炭对氨气的吸附）
2）硅胶
硅胶与氧化铝类似，是一种亲水性的极性吸附剂。硅胶的比表面积为300～500 m2/g，主要是介孔结构，孔径在2～50 nm范围，其孔道内部表面具有丰富的表面羟基。在干燥、分离气体混合物及石油组分等领域都有广泛的应用。工业上采用的硅胶又可以分为粗孔和细孔，通常相对湿度会显著影响这类吸附剂的吸附效果。例如，粗孔硅胶在相对湿度达到饱和时，对水汽的吸附量可达吸附剂重量的80%以上。但是，在低湿度条件下，粗孔硅胶吸附量明显低于细孔硅胶。与氧化铝一样，亲水性的硅胶不适合低浓度VOCs的浓缩。
3）分子筛
Barrer在1981年成功地合成出了低硅铝比的沸石分子筛。此后这类材料就被广泛地用于吸附、离子交换及酸催化等领域。目前报道的分子筛主要有A、β、Y、L型、ZSM型分子筛等，使用较多的吸附剂有NaY、Hβ、MCM-41、ZSM-5、SBA-15等。分子筛具有规整的微孔孔道结构，比表面积为300～1000 m2/g，孔径在0.4～1 nm之间，是优良的VOCs吸附材料。通常分子筛只能吸附比分子筛孔径尺寸更小的VOCs吸附质，超过分子筛孔径范围的VOCs分子是不能进入到分子筛孔道中而被吸附的。因此，增加分子筛孔径尺寸，可以拓宽分子筛吸附VOCs吸附质的种类［89-91］。
4）浸渍氧化铝、活性炭等化学填料
氧化铝、活性炭等填料浸渍上具有催化剂或者具有化学反应性的金属成分、酸、碱基等化学药品，可大幅提高对吸附目标成分的吸附性能。吸附过程是：①由载体填料的物理吸附力在吸附成分的细孔内的浓缩。②在细孔内的吸附成分和添加物质的化学反应。③在反应生物体的细孔内保持浸渍氧化铝、浸渍活性炭除了物理吸附以外，还有浸渍成分和除恶臭体成分在活性炭表面的化学反应促进了化学吸附。依靠化学吸附的强力结合，对低浓度恶臭的吸附性能突出，对于特定成分的选择性吸附性高是附着活性炭的特征。
浸渍氧化铝、活性炭可适用于以下气体的去除：
（1）H2S、CH3SH等硫磺类酸性气体。碱性氧化铝、浸渍活性炭用于硫磺系酸性气体如硫化氢、甲基甲烷的清除。它的化学反应为
M表示碱金属。
碘炭是把碘酸（HIO3）附在活性炭上的物质，是由碘酸所具有的强力氧化力来氧化分解硫化氢等物质，使吸附能力显著提高的浸渍活性炭。
三氧化二铁用于化学吸收硫化氢。
三硫化二铁的氧化又变成三氧化二铁，吸附剂也得以再生。
（2）NH3、（CH3）3N含氮碱性气体。NH3、（CH3）3N的除臭会使用浸渍了非挥发性酸（磷酸、硫酸等无机酸，柠檬酸、苹果酸等有机酸）的活性炭。选择性地对氨和三甲基胺进行化学吸附，分别生成氨盐和铵盐。它的化学反应为
H—A表示浸渍药剂，A表示酸性基。
（3）（CH3）2S、（CH3）2S2等中性气体。（CH3）2S、（CH3）2S2是化学上稳定的物质。不过，浸渍氧化铝活性炭的催化剂作用容易被亚砜、磺酸吸附并能保持吸附。
需要注意的是，臭味气体是混合气体，如果使用药品浸渍氧化铝活性炭，就要按气体流动方向依次使用酸性气体用、碱性气体用、中性气体用的活性炭。如果顺序不对，可能会达不到预期除臭效果。