M
.K A T H L E E N O
W
E N
T h
eE f f
e ct of R
el
ativ
eH
um
i d i
ty
o nT
ol
u e n eA d
s o rp
ti
o nb y A
cti
vated
C
a rb
o n(
und
e r th
ed i
r ecti
on of D
avi d L
eit
h
and D
a vi d E
n s o r)
A B S T R A C T
Pe r
f
o rm
a n c e ch
a r a cte ri
stic s o
f
a ctiv ated
c a rb
o n as ag
a s-p h
ase air
cl
e a n e rm
edi
a u nd
e r v a ri
o u sle v e
ls
of
r el
ati
v eh
um i d it
y
a nd
a r a ng
e of
tolu e n e
c o n c e ntr atio n
sw e r e e x a
m
i
n ed
.T
ol
u e n eb
r e ak
thr o u
g h
c u r v e s atle v e
l
s of h
um i d i
ty fr
om
b
el
ow5
to80 %
w e r e ob
tai
n ed
.T h
e c o n c e ntr ati
o n of
the tol
u e n e ch
al l
e ng
e v a ri
ed f
r om
0
.4
to7 2
.8 p p
m
.T h
e e xp
e ri m
e nts we r ep
e rf
o rm
ed in
a sm
al l
-s c a
l
e te st ri g
wi
th
tem p
e r atu re,f lo
wr ate, and h
um i d it
y
c ontrol
s.T h
e c arbo
nb
ed
s te sted
we r e1 i
n.(
2
.5
cm
)
d
e ep
.
B
o th bub b l
e rs and
cy l i
nde r
g
a s e sw
e r e used
top
r od
u ce th
e ch
al l
e ng
eg
a s.T h
e s ee x
p
e rim
e ntsp
r o vi d
edd
ata to e xp l
o r e the
r el
ati
o n sh i p
of
r el
ati
v eh
um
id i
ty
(
RH
)
tou s e
f
ul l i f
eti m
e.R
H h
a s n eg
li g i b l
e infl
u e n c e o n the ad
s o rp
tio n of
tol
u e n eb
elo
w 5 0 % R H
.H
ow e v e rb y
75 %
RH
, the tol
u e n e ad
s o rp
tio n isd
e c r e a s ed
. Fo r tol
u e n e ch
al l
e ng
e sw ith
R H
ab
o v e th
ei
nf le c
tio np
oin
ti
n the r ela
tio n sh i p b
etwe e n the c a rb
o nb
ed
w ate rc o ntent a n
d
th
eR H
of
the
ch
al l
e ng
e ai
r, th
e wate rin
t erfe
r esw i
th th
e ad
so rp
ti
on of
to
l
uen e. Thu
s th
e w ate r ad
sorp
tio n
c u r v e c o r r ela
te s well
wit
h
th
e tolu e n e
ad
s o rp
ti
ond
ata.T h
el in e a r
i
ty
of
th
e r el
atio n s
h i p b
etwe e n the c o n c e ntr atio n
and
the10 %
b
r e ak
thr o ugh
ti m
ein
d i
cate s thath i g h
c o n c e ntr atio n
b
r e ak
th
r o ugh d
a t a c a nb
e used
top
red i
ct th
eb
r e akthr o ug h
tim
ef
o rl
ow
e r c o n c e ntra ti
o n ch
al le n
g
e s.T h
el i
ne a rre
la
tion shi p i
s sh
ownf
o r5 0 %
o rl
ow
e r RH
a nd f
o r the80 %
RH d
ata.A C K N O
W
L E D G E
M
E N T S
F
u nd i
ng f
o r th is work
and
rela
ted
wo rk
thatp
rovi d
ed
th
eb
asisf
or th is wo rk
w a s
p
r o vi de
d
thro ug h R
e s earch T ri
ang l
eI
n stitute(
R T I
)
throug h
aP
r of
essio n a
l
D
e v elo
p m
e ntA
w a rd
(
W
o rk O
rde r
N
um
b
e rW
18 1
)
a nd
theU S E
n vi
ronm
e ntal
Pr o
te cti
on Ag
e n cy
(
ta sk 5 1 14
-8
of R T I
'sIn
d
o o rA ir
Q
u al i
ty C
oop
e r ativeA g
r e em
e ntC
R8
17 0 8 3)
.L
awr e n c eJ
aff
e of R T I p
r o vi d
ed
a n al y
ti
c al
s up p
o rtf
o r th isp
r oj
e ct.D
o ug
V a n
O
sd
ell
sta rted
the ad
s o rb
e nt air
cle a n e r
r ese a rch
, s e r v ed
a sm
a n ag
er of
th
eE PA
t a s
k
, and p
rovi d
ed
techn
i
c al
ad
vi
ce.I
ap p
r eci
a t e the ef fo r
t s of m y
c om
m
i
t te e t ow a rd
th is
p
r oj
e c tM
y
ap p
r e ci
atio n
i
s e xte nde
d
toD
a vi d L
ei
th(
U N C
r e s e a r ch
ad
vis o r
)
,D
a vi d E
n so r(
R T I
r ese a r ch
a
d
vi
sor)
,
M
i k
eF l y
im
(
a c adem
ic
ad
vi
sor)
,L
e sSp
a rk
s(
E P A P
r oj
ec tO f fi
ce r)
a nd F
r a nD i G i
a n o(
r e ad
e r)
.T A B L E O F
C
O N T E N T S
Se c tio n
P
a geIN T R O D U C T I O N
1
R
esear ch O b
j
e c ti
ve s2
T h
eor etic a
l B
a ck g
ro u nd
2
E
X
PE R
IM
EN T A L
9
T
e stA p p
a r atu s1 1
A
n al y
ti
c al E q
ui p m
ent and
M
eth
od
s12
T
est Pl
a n13
R E S U L T S A N D D I SC U S S IO N
15
B
re ak
th
ro ug h T i
m
e s15
C
a rb
o nC h
aracteri
stic s
2 0
A p p l i
c ati
o n of
theM
od i f i
ed
W
h
eel
e rE q
u ation2 5
C O N C L U SI O N S
2 7
R
EF E R E N C E S
2 9
A P P E N D I X A
A P P E N D I X B
A P P E N D I X C
A P PE N D I X D
R
e com m
e nd
atio
nsfo
rF
u tu r eR
ese a rch
32
R
el
ati
v eH
um i d it
y,T
em p
e r atu r e, a nd F l
ow
r ateV
ali d
atio n . .3
4I
ntri
n sicC
a rb
o nP
r op
er tiesD
ata3 8
G
asC h
rom
at og
r ap h D
at a4 3
L I ST O F T A B L E S
N
um b
e rP
ag e1
.T
ol
u e neT
estS
um m
ary
14
2
.I
ntrusi
o n DataS
um m
a ry f
orA
ut op
oren 9 2 2 0
(
11
to6 0 0 00 p
si
a)
24
3
.F
r eeS
u rf
a ceA
r eaC
al
c ul
ati
o nR
e s ult
s2 5
4
. Te stR i g T
em p
e r atu r e a nd R H V
al i d
ati
o n3 7
5
.P
r op
e rtie s of T
e stC
a rb
o n3 9
L I ST O F
n
C U R E
S
N
um b
e r1
.Sm
al l
-sca
le t e
st ri g
s ch
em
a ti
c sh
owi
ng
oneb
ed
10
2
.H i g h
c o n c e ntr ati
o nb
r e akthr o ug h
c u r vesf
o r tol
u e n e o n8
x 16 me sh
c a rb
o n . . . .16
3
.L
ow c o n c e ntr ati
o nb
r e ak
thr
o ug h
cu r v e sf
o r tol
u e ne on8
x 16 me sh
c a rb
o n . . . .17
4. Br e a
k
th
r o ug h
ti m
e s(
10 %
)
f
o r t ol
u e ne o n8
x16 m
e sh
ca rb
o n18
5
.B
reakth
r o ug h
tim
e s(
5 0 %
)
2 1
6
.E q
ui l i b
ri
um m
oi
s tu r e c o nte ntf
o r8
x16 m
esh a cti
va ted
c a rb
on2 2
7
.C
um
ul
ati
v ei
ntr u si
o n a nd
a r e af
o r8
x16 m
e sh
c a rb
o n 23
8
.C
om p
a ri
s o n of
M
od i fi
ed
W
h
e el
e r eq
ua ti
o np
r ed i
cti
o n s to a ctu al b
r e ak
th
r oug h
ti me s
b y
RH l
e v el
2 6
9
.C
om p
a ri
s o n of b
r e ak
thr o ug h
ti m
ep
r ed i
ctio n sb
a s ed
o nWh
e el
e r eq
u ati
o nw
i
th em p i
ri
c al
c o r r el
atio ns2 8
L I S T O F S Y
M
B O L
S
W
, ad
s o rp
ti
o n sp
a ce of
th
e c a rb
o nf
o r th
e v ap
or, cm
V
g
W
gm
axi m
um
ad
s o rp
ti
o n sp
ac ef
o r th
e c a rb
o n, cm
V
g
W
jm
a s s of
r ef
e r e n c e c o ntam
i
n a ntp
e rm
a ss of
carb
on a t eq
ui l i b
ri
um
wi
th
th
eg
as e o u s c ontam i
n antk
c a rb
o n str u ctu r al
c o n sta nt,m
ol
eV
c al^
e ads o r
p
tio np
ote nti
al f
o r the c a rbo n, R Tl
n(
P/ P
,)
, c al / m
ol
eR
g
a s c o n sta ntT
ab
s ol
ute tem
p
e r at u r eP
eq
ui l i b
ri
um p
a rti
al p
r e ssu re of
c ontam
i
nantP
, s at ura ti
on vap
o rp
r es su ref
or co ntam i
nant atT
P
af f
i ni
ty
c o ef f
i ci
e ntf
o r c o ntam i
n a n t c om p
a r ed
to a r ef
e r e n c e c om p
o n e ntf
o r wh i
ch
W
q a nd k h
a v eb
e e nd
ete rm
i
ned
P
c(«s.)/P
c(« fe« K»);P
e ={(
Tl
'-1
)
M
}
/
{ (
11
^ +2
)p
,r
\
r ef
r a c ti
v ei
nd
e x at th
e sod i
um D
wa v el
e ng
th
M
m
ol
e c ul
a r wei g h
tP
g c o ntam
i
n a ntl i q
uid d
e n si
ty
,g /
cm
't^
b
r e ak
throug h
ti m
e,m
i
nC
aj oa ti
iJ
ct a nd
o utl
et c o n c e ntr ati
o n s,g/
cm
'
Q
v ol
um
etri
cf l
owr at e th
r o ug h b
ed
, cm
Vm i
nM
em
a s s of
c arb
oni
nb
ed
,g
Oje
d
e n si
ty
of b
ul k
c a rb
o n,g /
cm
'
k
, ad
s o rp
ti
o n r ate c on sta n t,m i
n'
=
14
.4 1 i
f
^d
p '^^
U
sup
erfi
ci
al g
as v el
o cit
y
, cm /m i
nd
p c a r
b
o ng
r anul
ed i
am
ete r, cm
I N T R O D U C T I O N
T h
eA m
e ri
c a nS
o ci
ety
of H
e ati
ng
,R
ef ri g
erati
ng
a nd A i
r -C
on
d i
ti
oni
ng
E
ng i
nee r s(
AS H R A E
)
S
ta nd
a rd 6 2
-19 8 9
,
V
e nti l
ati
o nf
o r Ac c ep
tab l
eI
nd
oo rA i
rQ
u al i
ty
, r eq
ui
re s th
at2 0
cf m
(
o r10 L /
s)
of
cl
e a n ai
rb
ep
r o vi d
ed p
e r o c c up
a nt of
s o
m
e cl
a sses of b
ui l d i
ng
s,i
ncl
ud i
ng
of fi
c e s.'
T h i
si
s ani
nc r e as e t o4 0 0 %
of
th
e ol d
e rsta n
d
a rd
.S i
n c e co nd it
i
o ni
ng
(
h
eati
ng
, c o ol i
ng
,d
eh
um i d i f y i
ng
)
of
th
e ai
r c anb
e c ostl y
, th
ei
nte r e sti
np
r o vi d i
ng
cl
e an r e ci
r c ul
ated
ai
r th
r o ug h
th
e use of
ai
r cl
e an er sh
a si
n c r e a s ed
.I
nm
a ny g
e og
r ap h i
c al
a r e a s wi
th h i g h l
ev el
s of
am
b i
e nt ai
rp
ol l
uti
o n,
t
h
e outdoo r ai
ri
ts el f m
u s tb
e cl
ea ned b
ef
o rei
t c a nb
e ci
r cul
ated
wit
h i
n ab
uil d i
ng
;t
h
u s ai
r cl
e a n e r s a r e e s s e nti
al f
o r th
ei
nlet ai
r, a s w el l
a s a ny
r e ci
r c ul
ati
ng
ai
r .H
owe v e r , the r ei
s n o a c c ep
ted g
a s e o u s ai
r cl
e a n e r te stm
eth
od f
o r th
ei
nd
oo r ai
ra
p p l i
ca ti
o n a nd l i
t tl
e a v ai l
ab l
e te std
ata.O
v e r th
ep
ast tw
od
e cad
e s re sear ch
e rsh
av ei d
e nti f i
ed
th
ei
nd
o o r en vi
r onm
e nta s
p
ote nti
al l y
on e of
th
em
aj
o r so urc e s of h
um
a n e xp
o s u r e to ai
rp
ol l
uta nt sb
e c a u sei
nd
o o r c o ntam i
n ati
onm
ay
e x c eed
e stab l i
sh
ed
am b i
e nth m i
t s.Si
nc em
os tp
e op l
e sp
end
8 0 %
o rm
or e of
th
ei
r ti
m
ei
nd
o o r s,i
nd
o o r ai
rp
ol l
uti
o n c any i
el d
ag
reaterp
ote nti
al
f
o rh
a rm
f
ul
e xp
os u r e to ai
rp
ol l
uti
o n th
an e xi
sts o utd
o o rs. Th
us atte n ti
onh
a sb
e e nf
o c u s ed
o ni
nd
oo r ai
rq
u al i
ty
,m
ak i
ng i
ti
m
p
o rta nt tob
e ab l
e tod
ete rm
i
n e th
e ef f
e c t so
f h
e ati
ng
, v e nti l
ati
ng
, and
ai
r -cond i
ti
o ni
ng
(
H V A C
)
sy
stem
s,i
n cl
ud i
ng
ai
r cl
e a n e re
f fi
ci
e ncy
, oni
nd
o o r ai
rp
ol l
uta nt co nce ntr ati
o ns. ^T w
om
aj
o r ty p
es of
ai
r cl
e a n e r s a r e c u r r e ntl y i
n u se:p
a r ti
c ul
ate a nd g
ase o u s.W
h
e r e a s the r ei
s a sta nd
a rd
te stm
e th
od f
orp
a rti
c ul
ate ai
r cl
e a n e r s(
wi
th
a new
m
eth
od
u nd
erd
e v el
op m
e nt)
,'
a n
d d
ataf
o rm
a ny
ty p
e s of
th
e s e cl
e a n e r s e xi
s t, n oa c c e
p
ted
t estm
ethod
e xi
stsf
o rg
a s e o u s ai
r cle a n e r s.I
n ad di
ti
on,
l i
t tl
ed
ataf
o r v ol
ati leo r
g
a ni
c c om p
o u nd
(
V O C
)
ch
al
le ng
e s of
the s e cl
e a n e r s atm
ed i
um
o rl
ow
(
i
nd
oor)
co n c e ntr at
i
ons e xi
st.S
ev e r al
o ng
oi
ng p
r oj
e c t s a r e ad d
r e s si
ng
th i
s n eed
.R
e s ul
ts of
so
m
e of
th i
s wo rk d i
s c u s si
ng
si
ng l
e-V O C
,
50 % R H
, ch
al l
e ng
eg
a s te sts of
a cti
v ated
c a r
b
o n at sm
all
s c ale a rep
r e s e nted i
nV
a nO
sd
el l
et al
. *W
h i l
e5 0 % R
H
r ep
r e s e nts at
y p i
c al
c o ntr oll
ed i
nd
o o rh
um i d i
ty l
e v el
, o utd
o o rh
um i d i
ty l
e v el
s wil l
v a ry
a s wi l l
m
a ny i
nd
o o r e nvi
r o nm
e nts.R
e s ul
ts of
te sts wi
th a rang
e of R H
val
u e sf
r om
5
to82 %
R H
and
c o n c en tr atio n s of
tol
u e n ef
rom 1
t o7 3 p p m
are p
re se nted h
ere
.T h
e o nl y
e v al
u ati
o np
e rf
o rm
ed f
o rm
a ny g
a s-p h
a s e ai
r cl
e a n e r sis a
n ads o rp
tio nte s t o
f
the
m
ed i
a u si
ng
a sho r t-t e r
m
,h i g h
-c o n -c ent r a t
io n c a
rb
o n t e trach l
ori d
ec
h
al l
e ng
e. 'A l
tho ug h g
a s-p h
as e ai
r ad
s o rbe r s a
r ei
n usef
o rhi g h
-c oncen trat
i
o n ai
rp
ol l
uti
o n c o ntr ol
a nd
su rg
ep
r ote c tio ni
ni
nd
u stry
, thep
e rf
o rm
a n c e o fg
a s
-p h
a s e ai
rcle a n e r s
h
a s no tb
e e nq
u a n ti f i
ed f
o r the si
tu ati
o n s c om m
o nl y f
o u nd i
ni
ndo
o r ai
r.A
w
i d
e v a ri
ety
of V O C
s o c c u ri
ni
nd
o o r ai
r , us u al l y
atl
ow c o n c e ntr atio ns.T h
e sec o n c e ntr at
i
o n s a r e v a ri
ab l
e wit
h
ti me, e xi
sti
n wi d
e v a ri
ab i l i
ty
of
c o ntam i
n a ntc o
m p
o sit
i
o n am
ong b
ui l d i
ng
s, a nd
ar ef
ou nd
ac ro ss a r a ng
e of R H
s.T h
us the n eed
ex
i
stsf
o r ad
so rb
e ntm
ed i
a te sti
ng
at ty p i
cal V O C
a nd h
um i d i
ty
conce ntr a ti
ons.R
e s e a r ch O b
j
e cti
vesC
u r r e nt VO C
ai
r cl
e a n e r sre l y p
ri m
a ri l y
o n a c tiv ated
c a rb
o n, alt
h
o ug h
othe rm
edi
a a r e u s ed
.T h
e c ap
acit
y f
o r ad
s o rp
ti
o n atl
owV O C
co n centr ations,f
orV O C
m i
xtu r e s, o ri
n thep
r e s e n c e of h
um i d i
ty
a nd
a cid
g
a s e si
s n ot kn own . Th i
s te ch
nic al
r e
p
o rti
s c o n c e r n ed
wit
h
the at tem p
t toq
u a nti f y
th
ei
nf l
uen c e of
RH
o ng
as-p h
a s e ai
rc
l
e a n e rm
ed i
ap
e rf
o rm
a nc e.T
e st tem p
er atu r e w as co n sta n t a t2 5
°C
, s o thatte
m p
e ratu re ef f
e c ts were
n ot e xam
i
n ed
.T h
ep
u rp
o s e of
th is work
w a s to ob
t ai
nb
a sic
d
ata, to e x am i
n e thep
o s si b i l it
y
of
e xtr ap
ola t
i
onf
r om
h i gh
c o n c e ntr ati
o nd
ata tol
owe rc o n c e ntr at
i
o nb
r e ak
thr
o ug h
tim
es, and
to com p
a r e a ctu al d
ata to th
eo ry
.T h
e oreti
cal B
ack g
ro u nd
A d
s o r pti
onT h
e o ry. Th
ep
e rf
o rm
a n c e of
th
eg
a s-ph
a s e c o ntam
i
n a nt r em
o v al
e
q
ui p m
e nti
si
nf l
u e n c ed b y
a n um b
e r of f
ac to r si
n cl
ud i
ng re
si d
e n c e ti
m
e, ad
s o rp
ti
o nc a
p
a cit
y
,m
ed i
a s u rf
ace a r e a, tem p
e r atu r e,h
um i d i
ty
, c o nt am i
n a ntp
r op
e rtie s, a nd
c o nta
m i
n a nt con c e ntra ti
o n si
n th
e ch
al l
e ng
e ai
r . Th
e com p l
e x way
th
e s ef
a cto rsi
nte r a cth
a si m p
ed
ed
th
ep
r edi
cti
o n of p
e rf
orm
a n c el
e v el
.M
o stg
a s-p h
a s e cl
e a ni
ng
te c
h
n ol
og i
e s r el y
o n s o rp
tionp
r o c e s s e s.S
orp
ti
o ni
s th
eg
e n e r al
te rm
d
e s c ri b i
ng
i
nte r a cti
o n sb
etw
e e ng
as-p h
as e c ontam i
n a nts a nd
s ol i d
orl i q
ui d
su rf
a c es th
atre
sult
i
nr e
m
o v al
of
the c o ntam i
n a nt.A l l
s o rp
ti
o np
r o c e s s e s r el y
o n th
e s am
e tr a n sp
o rtp
r o c e s s e s tom
o v eg
as-p h
a s e c o ntam i
n a nt s to th
e s o rb
e nt s u rf
a c e.O
nl y
at th
e s u rf
a ced
oph y
si
c al
ad
s o rb
e nts(
a ctiv ated
c a rb
o n)
a nd
ch
em i
c al l
y r e a cti
v e ad
s o rb
e ntsa
d
s o rp
ti
o n, s uch
as o ccu rs o n ac ti
v ated
c a rb
o n,i
s th
em
o st com m
onl y
us ed m
eth
od i
n ai
r cl
e a n er s.P h y
si
c al
ad
s o rp
ti
o n occ urs wh
e n a contam
i
n a ntm
ol
e cul
e c onta cts an ad
s o rb
e nts u r
f
a c e a nd i
sh
el d b y i
nte rm
ol
e c ul
a rf
o r c e s(
e.g
. v a nd
e rW
aal
s)
o r s e c o nd
a ry
v al
e n c ef
or c e s.T h
e e n e rg y
e v ol
v ed
o np h y
si
c al
ad
s o rp
ti
o ni
s u s u al l y
si m i l
a r to th
eh
e at of
l i q
u ef
a cti
o n of
th
eg
as[
i
.e.,2
to6 k
c al / m
ol
e(
8
to2 5
kJ / m
ol
e) ]
; th
u s,i
ti
s r e adi l y
r e v e r si
b l
e. Ph
ysi
c al
ad
s o rptio n c a nb
e ef f
e cti
v eb
e c a u s e ad
s o rpti
o nm
ed i
a s u ch
asa ct
i
v ated
c arb
onh
a v e e norm
o us s u rf
ace ar e a.C
a rb
o n sp h
ere s0
.0 6 i
n.(
1
.5 m m
)
i
nd i
am
ete r, wi
th
a n e xte r n al
s u rf
ac e a r e a of
ab
o ut 49 ft
^/l b m
(
0
.0 1
m
V
g
)
,h
a ve a t o tal
a
d
s o rp
ti
o n s u rf
a c e of 5
-7
x10
®ft
^/ l b
(
10 0 0
to150 0 m
V
g
)
.*-'
T h
u s
di f f
usi
o ni
nto th
ep
o r e si
s v e ry i m p
o rta nt.B
e c au se no ch
em i
c al
r eacti
o n o ccurs, a n ad
s o rb
ed
c ontam
i
n a n tm
ol
e c ul
e ca nd
e s o rb
r el
ati
v el y
e a si l y
, a nd f
r eq
u e ntl y d
oe s s o. In th
ep
r e s e n c e of
ap
o si
ti
v e-c o n -c e ntr at
i
o nd
ri
ving f
o r c e, a s wi
th
n ew c a rb
o n, ads o rp
tio n o c c u r sm
o r ef
r eq
u e ntl y
th
a nd
e s o rp
ti
o n, a nd
th
e ne tm
a ssf l
ow i
sf
r om
th
eg
a s
-p h
a s e to th
e ad
s o rb
e nt s u rf
a c e.A
sm
o r e contam i
n a nti
s ad
s o rb
ed
o r th
e co n c e ntr ati
o ni
n th
eg
a s s tr e am
d
ecr e ase s, th
eco n c e ntr at
i
o ng
r ad i
en ti
s r ed
u ced
a nd
th
ed
ri
vi
ng f
o r c ef
o r ad
so rp
ti
o ni
sd i m i
ni
sh
ed
.A
t eq
ui l ib
ri
um
, th
e ad
s o rp
ti
o n and d
e s o rp
ti
o n r ate s a r e eq
u al
, a nd
c o ntam
i
n a nti
s nol
o ng
e r r em
o v ed f
r om
th
eg
a s.I f
th
e c o ntam i
n a nt ch
al l
e ng
e co n c e ntr ati
oni
s r ed
u ced
,t
h
e ad
s o rb
ent wi l l
r el
e a s e c o ntam i
n a nt *In a c a r
b
o nb
ed
, th
e up
str e am p
o rti
o nl
o ad
sf
ir st,p
o s si b l y
r e a ch i
ng
eq
uil i b
ri
um
wh i l
e th
ed
ow n str e am
c a rb
o ni
s sti l l
n e a rl
y em p
ty
.T h
e sh
ape of
th i
s c o n c e ntr ati
o nwa v e
f
r o nti
n a n ad
s o rp
ti
o nb
ed d
ep
e nd
s o n c a rb
o n a nd
c o ntam
i
n a ntp
r op
e rti
e s, c o n c e ntr atio n , a nd b
ed f l
owr ate.W
h
e n th
e c o ntam
i
n a ntp
e n etr ate s th
eb
ed
, c al l
ed
b
r e ak
th
r o ug h
, th
ed
own str e am
c on c e ntr ati
onm
ay
ch
a ng
e r ap i d l y f
r om
v e ry l
ow
to th
ec
h
al l
e ng
e co n c e ntr ati
o n .^ *
T
e st r e s ul
ts canb
eg i
ven a sb
r e ak
th
r o ug h
ti
m
es.E
q ui l i b
ri
um
A d
s o r pti
onM
od
el
s.A
n um b
e r of m
ath
em
ati
c al m
od
el
sh
a v eb
e e nd
e v el
op
ed
o v e r th
ey
e a r s tod
e s c ri b
e eq
uil i b
ri
um
ad
s o rp
ti
o n a s o c c u r si
n c a rb
o nb
ed
s, in cl
udi
ng i
s oth
e rm m
odel
s s u ch
a s th
eL
a ng m
ui
r,F
r e u nd l i
ch
, BE T
(
B
r u n a u e r-E
nm
i et t-T
el l
e r)
,
G i b b
s, a nd P
ol
a ny i
-D
u
b i
ni
ni
soth
e rm
s.'
T h
e eq
ui l i b
ri
um
ad
s o rp
ti
o ncon c e ntr at
i
on,i
sk
nown as an ad
sorp
ti
o ni
soth
erm
.A f
r eq
ue ntl y
u sed i
s o th
e rm i
s th
atd
eri
v ed b y D
ub i
nin
, wh
o us ed Po
l
any i
's conce
p
t of
ad
s o rp
ti
o n tod
e v el
op
ase
m i
em p i
ri
c al f
u n cti
o nd
e sc ri b i
ng
th
e v ol
um
e of
th
e ad
sorb
ed
sp
ace as af
u nc ti
o n of
t
h
e ad
sorp
ti
o np
o te nti
al
.T h
ef
u n cti
o nis a
p p
r op
ria
tef
o r ad
s o rp
ti
o nin
wh ic
h
c ap i l l
ary
c o n
d
e n s ati
o nis
o c c u r ri
ng
, a nd i
sk
n own as the
D
ub i
nin -Radu sh
k
e vi
ch
(
D
-R
)
eq
u atio n
.*
I
th
a sbe e n
f
o u nd
tof i
td
ata wel l f
orm
any
n o np
ol
ar or w e ak l y p
ol
a r ad
s o rb
ate sb
el
owt
h
eir
cri
ti
cal
t em p
er atu re.T h
eD
-R
eq
u ati
o nh
a sb
e e n wi d
el
y u s ed fo r
d
ata c o r r ela
tio n
f
or ad
s o rp
ti
o n of
VO C
s on a ctiv a
ted
carb
o n.T h
e eq
u atio n
i
s :w
h
e re:W
, = ad
s o rp
tio n
sp
a c e of
th
e c a rb
onf
or th
e v ap
o r , cm
V
g,W
q =m
a xi
m
um
ad
s o rp
ti
on sp
acef
or th
e carb
o n, cm
V
g
,k
= c a rb
o n s tr u ctu ral
c o n sta nt,m
ole
^
/
c al
^e = a
d
s o rp
tio n
p
o te nti
al f
o r the
c a rb
on,R T l
n(
P/ P
J
, cal /
m
ol
e,R
=g
a s c o n sta nt,T
= ab
s ol
ute tem p
e r atu r e,P
= eq
ui l i b
riu
m
p
a rtia
l p
r e s s u r e of
c o ntam i
n a nt,P, = s atu r at
i
o n v ap
o rp
r e s s u r ef
o r c o ntam
in a nt atT
,P
= af f i
nity c o ef fi
cie n
tf
o r c o ntam i
n a nt c om
pa r ed
to a r efe r e n c e c om p
o n e ntf
o r wh i
ch
W
q and k h
a veb
eend
ete rm
i
n ed
. =P
c(. c s .)
/P
c(r efe r» c c);K
=(
d
l
'
- 1
)
M
}
/
{ (
T1
^ +2
)
p
,T
|
= r efr
a cti
v ei
nd
e x at th
e s od i
um D
wa v el
e ng
th
M
=m
ol
e c ul
ar w ei g h
tP
j= c o nt a
m
i
na ntl i q
ui d d
e n sit
y
,g /
cm
^
.
D
y nam
i
cR
e sp ons e.S i
n c e th
e e xi
t c o n c e ntr ati
on eq
u al
s th
ein
l
et con c e ntr ati
onat e
q
uili b
rium
, th
e dy
n am i
c, non-e
q
ui li b
ri
um p
e rf
o rm
a n c e of
a n ad
so rb
e ri
s of p
ri
m
a ry
i
nte r e st.W
^ a nd k
a r ef
u n c tio n s of
th
e c a rbo n
, n ot of
th
e v ap
o r.T h
e u s e of
th
e D-
R
e
q
u ati
o nb
egi
n sb y
a c c um
ul
ati
ng k i
n etic
ads o r
p
ti
o n c ap
a ci
ty d
ataf
o r the
c a rb
o n of
i
nte r e stin
th
ef
o rm
of
m
ass of
r ef
e r e n c e c ontam i
n a ntp
e rm
a ss of
c a rb
on ,W
^ , ate
q
ui l i b
riu
m
wi
th th
e c ontam i
n a nt at sev e r al p
ar ti
al p
r e s s u r e s a nd
a sin
g l
ete
m
p
e r atu r e." '
A
ssum i
ng
that th
eb
ul k l i q
ui d d
e n si
ty
canb
e u sed
to rep
re s e nt th
ev o
lu
m
e o c c upi
ed b
y th
e ad
s o rbe n
t o n th
e ad
s o rb
at e,W
^is
co n v e rted
toW
^b
yd i
vi d
ing
b
yP
c-A p
lot of l
n(
W
y)
v e r s u s e^
y i
el ds a str ai g
ht l in e of slo
p
e -k
(
b
e c a u s et
h
e r efe r e n c e
c om p
o u nd
)
a nd i
nte rcep
tl
n(
W
o)
.O
n c eW
q a nd k h
aveb
eend
e te rm
i
ned
,W
^(
a nd h
e n c eW
^, th
e eq
ui l i b ri
um
m
a s s ad
sorb
ed
)
c a nbe
com p
uted f
o r a ny
c o nta
m i
n a nt a t a ny
c o n c e ntr atio
n aft
e r c om p
uti
ng
p
a nd
ef
o r th
at c ontam
i
nant.A l
tern
ati
v el y
, eq
ui h b
riu
m d
ata at o n e c o n c e ntr ati
o n o n ap
revi
ousl y
ch
ar ac teri
z ed
c ar
b
o n ca nb
e u s ed
to c om p
uteP
a nd
e.T h
eD
-R
e
q
u atio n
h
a sb
e e n used
su c c e s sf
ul l y d
own t o ap p
r o xi
m
atel y 10 0
p p m
. " *I
t s usef
uln
ess atl
owe r c on c e ntr ati
o n s, o rf
or e xtr ap
ol
ati
o nf
r om
p p
m
top
pb
l
e v el
s,h
a s n otb
e e n r ep
o rted
.T h
e sh
ap
e of
th
ei
so th
e rm
c u r v es a s th
ey
ap p
r o a ch
z e roc o nce ntr at
i
onis
n otk
n own, ' ^a n
d
u n e xp
e c ted
ch
a ng
e si
nb
eh
a vio r c o u
l d
c a uses
i g
ni f
i c a nt e r r o r s.H
owe v e r, t
h
e eq
u ati
o n wa sd
eri
v ed f
o rm i
c r op
o r o u s c a rb
on a nd
m
ay b
e v ali d
atin
d
o or c o n c e nt rati
on s.A d d i
ti
o n al p h
e n o me n am
u stb
e c o n si d
e r ed
wh
e n cor rel
atin
g d
ataf
r om
r e al
,d y
n am i
c ad
s o rp
tio n
b
ed
s.A
n a n al y
sis o
f
th
eb
r e ak
thr o u
gh d y
n am
i
c s of
a n ads o r
b
e ntf i l
ter c a nb
e rath
e r c om p l i
c ated
.T h
ef i
rs t req
uir e
m
e ntf
o r r em
ov al
of g
a s-p h
a s ec o nta
m i
n a nt si
s t og
et th
em
n e a r th
e ad
s o rb
e nt su rf
a ce.T hi
s r eq
ui
r es tr a n sp
o rtb
oth
f
r om
th
eb
ul k g
a s to the
r eg i
o n of
th
e ad
s o rbe n
t a nd f
r om
th
eb
o u nd
a ry l
ay
e ri
n to th
ep
o r e s.T
r a n sp
o rt step
s a r e of
te n th
e r ate-
l i m i
tin
g
step
si
n th
e o v e r al l
s o rp
ti
o np
r o c e ss.C h
em i
c al
r e ac ti
o n sm
ay
o c c u r at th
e su rf
a c e.A
r e al fl
ow sy
stem i
sf
u rth
e rc o
m p l i
c ated b y
n o n-i d
e a
l f l
ow co nd i
tio n
s a nd
ad
so rbe r
b yp
as s.T h
esel
at te r t wof
a ct or s c a n o v e r sh
ad
ow ad
s o rp
ti
o n eq
ui l i b ri
um
a n dk i
n eti
csi
n s om
e c a s e s.U
nd
e r c e rtain
si m pl i fy i
ng
a s s um p
ti
o n s—a sin
g l
e-c om p
on e ntl i
n e a ri
s oth
e rm
,i
s oth
e rm
al
c ond i
ti
o n s, a nd
n o a xi
al d i
sp
er si
on—an al y
ti
cal
exp
r e s si
on s su ch
as th
eM
e ck l
e nb
e rg
,R
o s e n, a nd
W
he e
l
e r eq
u atio n s
h
a vebe e n
de v e
lo
p
ed
t od
es cri b
e th
eb
r e ak
thr
o ug h
cu r ve of
a n ad
so rb
e ntf i l
ter. "T h
ese eq
u ati
o nsp
e rm
i
t e sti
m
ates of
c o nta
m i
n a nt r em
o v al
ef f
i cie n c
y
a nd
c ap
a ci
ty
wi
th
o utp
e rfo r
m i
ng
th
e e xp
e ri
m
e ntal
te stso v e r t
h
e e ntir e
b
r e ak
th
r o ug h
r a ng
e.F
o r th
ep
r e s e ntp
u rp
o s e,b
r e ak
th
r o ug h
e xp
r e s sio n
sthat a
p p
ly
in the low
co n c e ntr atio n r a ng
e a r ep
a rtic ula rly
u s eful
.T h
em
od i fi
ed
W
h
eele r e
q
u atio n
i
s r el
a tiv e
l y
succ e ssf
ul in
e x tr ap
ol
ati
ng
th
ep
e rf
o rm
a n c e of
r e sp
u-ato r
f
il
te rs. ' " "I
tw
a sd
eri
v ed f
r om
am
a s s c o ntin u
i
ty
eq
ua ti
o na c ros s a n a
d
so rb
e ntb
ed
. The
ad
s o rp
ti
o n r atek i
n eti
c s a r e c o n si d
e r ed p
s e ud
of ir s
tt
h
a n cont am i
n a ntm
ole c
ul
es.T h
e eq
u atio
nis
asf
ol l
ows:t K" =
C, ,
0
H
¥
)
-
(
l
:
)
(2)
w
h
e r e:t^ =
b
r e ak
th
r o ug
h ti m
e,m i
n,W
j =m
ass of
r efe r e n c e c o ntam i
n a ntp
e rm
ass of
c a rb
o n at eq
ui
l ib
ri
um
wit
h
th
eg
as e ous co ntam i
n antC
i n,o ut=
i
'^
^l ^^^
o utl
et c onc entrati
ons,g /
cm
'
Q
= v ol
um
etri
cf l
owrate thr oug h b
ed
, cm
V
m
i
nM
j =m
ass of
ca rb
o ni
nb
ed
,g
Obc =
d
e n si
ty
of b
ul k
c a rbo
n,g/
cm
'
k
^ = ad
so rp
tio n r at e co ns ta nt,m i
n'
= 14.4
1 U
*"d
p * ^
U
= s up
e rfi
ci
al g
a s v el
o ci
ty
, cm
/ m ind
p = c a r
b
o ng
r a nul
ed i
am
e t er, cm
.T h
eW
h
eel
e rE q
u a ti
o nh
a sb
e e n us ed
top
r ed i
ct thep
e rf
orm
a nce of
a cti
v ated
c a r
b
o n ch
al le
ng
ed
wi
th o rg
a ni
cs u nd
er a v a rie
ty
of
c o nd i
tio n s. ' ' " -" 'T h
e eq
u ati
o ni
sr e
l
a ti
v el y
si m p l
e to u s e.J
o n a s et al
. showg
ood
ag
r e em
e ntb
etw
e e np
r ed i
cted
a nd
c alc ulated b
r e akth
r o ug
hp
e rf
o rm
a n c e using
th
ei
r a n al
ysisp
r o c ed
u r e wit
h
r el
ati
vel y
h i g h
c o n c e ntr ati
o n e xp
e ri
m
e n tal
r esul
ts.' "
S i
ng l
e-c om p
o n e nt c o ntam i
n a ntd
ata a nd p
e rf
o rm
a n c e e sti mate s a re
f
r eq
u e ntl y
u s e
d
tod
e si g
n ad
s o rp
ti
o n sy
stem
s a nd
to e v al
u ate th
ei
rp
e rf
o rm
a n c e.T h
e si
ng l
e-co
m p
o n e nt ch
al l
e ng
ei
s u sed
to si m p l i fy
th
e sy
s t em m
od
el
and
to e xp
ed it
ee x
p
e ri m
ental
te sti
ng
.H
owe v e r, a c tu a
l
sy
stem
s com
m
o nl y
op
e r atei
n am
ul
ticom p
on e nt en vi
r onm
ent su ch
as the
i
ndo
o r ai
r ap p l i
c ati
o nin
w h i
ch
u n e xp
e cted
a n
d
u nac c ep
tab l
e sy
st em
p
erf
o rm
ance c a n r esult
.T h i
s situ ati
o nm
i g h
tw
ell
o c c u ri
nt
h
ei
nd
oo r ai
r ap p l i
c ati
onw
he re th
e md
xtur e of
com p
o n e ntsi
sh i g h l y
v a ri
ab l
e.I
n thec a s e o
f
the
d
ata setp
r e s e nted h
e r e, th
e ad
s o rp
ti
o ni
nte rf
e r e n c ei
s c r e ated b y
th
em
oi
stu re c o nte nt of
the ai
r.E f f
e cts of R
el
ati
veH
um
i d i
ty.R H i
ni
nd
oor ai
r c a nh
a v e a si g
ni fi
c a nti m p
a cto n the
p
e rf
orm
a n c e of g
a s-p h
a s e ai
r cl
e a n e rs.A l
tho ug h
n o n-p
ol
a r ad
s o rb
e ntm
edi
asuc
h
a s ac ti
vated
c arbon sd
o n oth
av e a ny p
a rti
c ul
a r af
f init
yf
o rw
ate r v ap
o r,m
o istu r ein
th
e ai
r c an sti l l
af f
e ctfi l
te rp
e rf
orm
a n c eb
e c a u s e th
e c o n c e ntr atio n o f th
em
oi
stu r eis u s u a
l l y m
u ch h i g h
e r th
a n th
e c o ntam i
n ant c o n c entr atio n s
.H i
nes et al
e xten s
i
ve revi
ew of
th
e c o-s orp
ti
o n of
wat e r a nd
v a ri
o u s oth
e r c om p
ound
s.' *
A
tm
oistu r e le v els fo u nd in ind
o o r air , wate r v ap
o r c a n c o nd
e n sei
n s om
ep
o r e s of
th
ea
d
s o rb
e nt.T
he ef f
e ct of
ad
s o rb
ed w
ate r c a n r u n th
ef
ul l
r a ng
ef
r om
r ed
u ci
ng
t oe n
h
a n ci
ng
cap
a ci
ty
of
c a rb
o nb
ed
sf
o r v a ri
o u s c o ntam i
n a nts.F
o r n on-w ater so
l
ub l
e c ontam
i
n ants wi
th
we ak
ad
s orp
ti
o nf
o rc e s, th
ea
d
s o rb
e nt's c a
p
a ci
ty
te nd
s tob
e r ed
u c ed
a sh
um
id i
ty i
n c r e a s e s.N
el
s o n et al
.f
o u nd
t
h
at u s e a nd p
r e c o nd i
ti
o ni
ng h
um i d i
ti
e sh
ad l i
t tl
e im p
ac tb
el
ow5 0 %
RH
,b
uts
i g
ni fi
c a nti
m
p
a ct ab
ov e50 %
."
T h
eh
um i d i
ty d
u ri
ng
useh
ad
th
eg
r e ate r ef f
ect.N
el
s on et al
. s ug g
est th
e u se of m
ul
ti p l i
c ati
onf
a c to r s t o c onv e rtp
e rf
o rm
a n ced
at ab
etw e e n RH
v al
u e s.N
el
s o n a nd H
a rd
e r sh
owed
th
ei m p
a ct of R H d
u ri
ng
u s ag
e(
b
etwe e nd
ry
a nd 8 0 %
)
,i
n c r e a si
ng
as th
e ad
s o rb
at e co n c e ntrati
ond
ecr ea sed i
n th
er a n
g
e of 20 0 0
to10 0 p p m f
o rb
e n z e n e a nd m
eth y l
ch l
or of
o rm
."
D i
etz sh
ows a s te ady
d
e c r e a s ei
n pe rf
o rm
a n c ef
o rb
e n z e n e of
u n sp
e ci fi
ed
c o n c e ntr ati
o n a s RH
w a si
n c r e a s ed
f
r om d
ry
to9 3 % w i
th
n op
erf
o rm
a n c ep l
ate a u s e e nb
el
ow50 % R H
.' *
W
e r n e r,
r e
p
o rti
ng
th
e ef f
e c t of R H f
or tri
ch l
o r o eth y l
ene(
T C E
)
at2 40
to5 6 pp m
,f
o und
th
ati
n c r easi
ng R H
r ed
u c ed
c a rb
o np
e rf
o rm
a nce at al l R H
v al
ue s, wi
th
al
e s s e n ed b
utn ot
i
ce ab l
ei m p
a ctb
el
ow50 %
."
H
e c a ut
i
ons th
a t th
ed
at a of N
el
son et al
."
s
h
ow i
ng
l i
t tl
e ef f
e ct of R H b
el
ow 5 0 %
m
i g h
t ap p l y
o nl y
o ver al i
m
i
ted
r a ng
e a nd
ad
vi
s ed
a
g
ai
n st e x te n si
v e e x tr ap
ol
ati
o n.W
e r n e r'
s
d
ata al
s o sh
ow ap
r o n o u n c ed i
n c r e a s ei
n th
eef fe ct o
f
RH
a s the ad
s o rb
ate c o n c e ntr ati
o nd
e c r e a s e s.C
ri
t te nd
e n et al
.^ "^'
s
h
owed
ad
e c r e a s ei
n eq
ui l i b
ri
um
c ap
a ci
ty f
o r TC E
a sR H i
n c r e a s ed
wi
th d
e c r e a si
ng
te
m p
e r atu re.O k
a z ak i
et al
.'
s
m
od
el
* wa s used
top
r edi
ct eq
ui l i b
ri
um
c o n c e ntr ati
o n sf
o rT C E
o n c a rb
o ni
n th
ep
r ese n c e of w
ate r v ap
o r a nd
c om p
a r e to th
e o r eti
c al d
ata.T h
e c al
c ul
ated
v al
u e s coverR H f
r om 0
to8 0 %
a nd
sh
ow ad i
sti
nctd
r op f
or ea ch
i
n c r em
e nti
nh
um i d i
ty
.T h
e exp
e ri
m
e ntal
r e s ul
t s co v e r onl y R H fr
om 6 6
.7
t o7 7
.5 %
a n
d
a r e ci
ted
a s stati
sti
c al l y i
ndi
sti
ng
ui
sh
ab l
e.H
ow
e v e r,
C
ri
t te nd
e n r e c om
m
e nd
s th
eO k
a z ak i m
od
el f
o r u s ew i
th
tol
u e n e.A
s s um i
ng
th
at th
em
od
el h
ol d
sf
o r tol
u e n e, th i
sd
e c r e a s ei
n ad
s o rp
ti
o n c ap
a ci
ty
wo ul d d
e c r e a s e th
eW
vi
n th
em
od i f i
ed
W
h
e el
ere