活性炭室内空气净化的吸附应用原理

活性炭空气净化的吸附应用原理1室内空气品质随着科学技术的飞速发展，人类在生活居室环境方面获得了巨大的改善。空调的广泛使用给人们发明了一种以温湿度为主的舒适性环境，但同时也带来了室内空气品责问题，特别是无新风系统的空调房间，造成了“病态建筑综合症”、“建筑有关病”和多个化学物过敏症。“病态建筑综合症”的常见症状重要有头痛、神经疲劳、皮肤干燥、鼻塞、流鼻涕、流泪、眼痒等等。“建筑有关病”是指由空气中的某种成分直接引发的病症，比较严重的有“军团病”、“超敏性肺炎”等，有时甚至能带来生命危险。所谓室内空气品质，普通是指在某个具体的环境内，空气中的某些要素对人群工作、生活的适宜程度，是反映了人们的具体规定而形成的一种概念。这种概念是建立在“以人为本”的基础上的。显然，人们不仅规定适宜的室内温湿度，并且人们还规定室内空气是新鲜的，无污染的，从而引发了对室内空气品质的广泛研究。室内空气基本污染物与污染源以下表一室内重要污染物及其来源:悬浮微粒、燃烧、抽烟、人体、烟草烟雾、人的吸烟行为、石棉、保温材料、氡及其蜕变物、墙体和地基、建筑材料、家具、挥发性有机物（vocs）油漆、清洁剂、建筑材料、一氧化碳、燃烧、吸烟、二氧化碳、燃烧、呼吸、微生物、家畜、人体、过敏物、动物、毛发、昆虫、花粉、臭氧

室内空气有害物的种类繁多，但普通都是以低浓度的形式存在，有时还远远低于人的嗅觉阈值，但这并不意味着人体无害，恰恰相反，人一生中有五分之四的时间在室内度过，长久受低浓度污染物的直接毒害，其后果还是相称严重的。为了去除室内空气中的有害物质，通风是一种非常有效的方法，但是它也有缺点：在室外大气污染日趋严重的今天，燃料的燃烧、工业生产及机动车辆排放的废气使得室外空气的质量也很差，并且室外空气与室内空气的交换会带来巨大的能耗。局部通风有时也由于污染源较分散或根本就不懂得气态污染物从何而来而无法实现。现在通用的过滤器只是过滤灰尘，还不含有去除有害气体和细菌的功效。成功分离低浓度的气态污染物质和细菌对改善室内陆空气品质至为重要。活性炭吸附材料对室内气态污染物含有优秀的吸附性能，使活性炭过滤器逐步应用于民用建筑空调系统中。在通风量不变的条件下，它能使室内空气得到更全方面的净化。2活性炭的发展历史及分类使用活性炭作为一种吸附材料已含有悠久的历史。早在古埃及时代，人类就会运用木炭来消除伤口散发的气味；1773年，谢勒初次科学地证明了木炭对气体含有吸附力；18，木炭被用到蔗糖业；第一次世界大战期间，为了消除化学武器的威胁，活性炭防毒面具问世，这是活性炭第一次应用于空气净化领域；上个世纪六十年代，含有独特化学构造、物理构造且吸附性能优秀的新型纤维状活性炭材料研制成功。现在对吸附材料的研究集中于非均匀吸附剂的加工工艺、微观特性、能量不均匀性及吸附性能等。活性炭种类诸多，因其原料、用途、性能、形状不同，彼此间差别很大，分类的办法也诸多。按外部形状分类，可分为粉状活性炭、颗粒活性炭、纤维活性炭。纤维活性炭是在碳纤维的基础上研制和开发的新产品，在日本重要以有机化合物为原料，纤维活性炭的细度仅为头发的1/3左右。我国已有用石油沥青作原料研制出优质纤维状活性炭的报道。从原料分类，可分为煤炭原料、植物原料、石油原料、塑料等。按用途分类，可分为气相吸附、液相吸附、工业催化活性炭。空气净化重要用气相吸附，规定微孔发达。3活性炭的构造和性质活性炭构造比较复杂，既不象石墨、金刚石那样碳原子按一定的格局排列，又不象普通含碳物质那样含有复杂且多样的有机物，有着庞大的分子构造。它有着自己的独特构造。它由排列成六角形的碳原子平面层构成，但是这些平面不是完全沿共同的垂直轴排列而是一层与一层的角位移杂乱而无规律，这种构造叫“螺层状构造”。活化过程中，基本微晶之间去除了多个含碳化合物和无序碳这样便产生了空隙。所剩余的碳之间堆积相称疏松，但互相的联结却相称牢固。因此各微晶之间才有许多形状不同，大小不等又有一定强度的空隙，按孔径大小普通分为大孔、中孔和小孔。1972年国际精细应用化学联合会原苏联学者杜宾宁根据活性炭的物理性能把三种空隙的分类作了具体的规定。活性炭90%的表面积都在微孔上，因此微孔是决定其吸附性能的重要因素。在活性炭的吸附过程中，这三种孔隙各有其特殊功效。对吸附来说，微孔是最重要的，它的比表面积可达几百甚至上千㎡/g，孔容也比较大。微孔在很大程度上决定着活性炭的吸附能力。活性炭的吸附特性不仅取决于它的孔隙构造，并且取决于它的化学构成。由于基本微晶在活化时，一部分被烧掉，受到不完整石墨层的干扰变化了碳骨架电子云的排列，出现了不完全饱和价或成对电子直接影响着活性炭的吸附特性。另一影响活性炭吸附特性的是构造中的杂原子。活性炭中的杂原子有两种来源：一种是以化学结合的元素形成的，如氧和氢，这些元素普通来源于原材料，在炭化时不能完全分解遗留下来的，有的则是活化时，和活化剂进行化学反映结合在表面上的。另一种是灰分，这些灰分重要来源于活性炭的原材料，也有少数是生产过程带入的。灰分使活性炭的微晶构造产生缺点，氧被化学吸着于这些缺点上，从而提高了活性炭对极性分子的吸附作用。灰分的存在对气体吸附（如二氧化硫、水蒸气、醋酸等）也有直接影响。在活性炭中加入某些无机化合物（如alcl3、naoh、cuo等）可使活性炭改性，吸附性能发生了某些明显的变化。对某些物质的吸附也可产生奇特的效果。氧和氢的存在对活性炭的吸附性能影响较大，它们以化学键与碳原子结合，是活性炭构造的有机部分。它们是优良活性炭的重要组分。按照固体表面多相理论，氧、氢和其它杂原子结合在微晶的边沿和角上的碳原子上，由于这种碳原子不完全饱和，反映性较高。在全部结合的元素中，氧比其它元素更引发人们的重视。由于氧对活性炭基本微晶的排列及大小有重大影响。这种表面结合的氧对水蒸气和其它极性或可极化气体的吸附能力有重大影响。c—o表面化合物是多样的。例如：c—o表面络合物、表面氧化物、表面氧化化合物和化学吸着氧。这些化合物分成两类：一类是在温度低于100℃时，气态氧和活性炭表面发生反映生成氧的络合物，经水合作用生成羟基和其它碱性基，这些碱性基能够起到离子交换作用；当加热到1000℃时，则生成气态氧化物，从活性炭表面脱除。另一类是在300～500℃下，氧与活性炭接触生成酸性氧化物，经水合作用可生成酸性表面化合物，也有离子交换能力。由表面氧结合的官能团重要有：羟基、羧基、酚基、内脂、醌。但只有一部分氧结合在这些官能团中，其它的则是以醚性链同碳表面结合。在活性炭中，还结合有n、cl等其它元素，这些原子的结合对活性炭的吸附性能也有着明显的影响。总而言之：在活性炭中，由于微晶间的强烈交联形成了发达的微孔构造，通过活化反映使微孔扩大形成了许多大小不同的孔隙，其表面一部分被烧掉，构造出现不完整，加上灰分及杂原子的存在，使活性炭的基本构造产生缺点和不饱和价，使氧及其它杂原子吸着于这些缺点上，因而使活性炭产生多个各样的吸附特性。4活性炭吸附和过滤机理物质在固体表面上或微孔容积内积聚的现象叫吸附。混合物通过某种设备后，其中部分物质被去除的现象叫过滤。就室内空气来说，通过活性炭后，部分有害物质被去除，活性炭起过滤作用；而就部分有害物质来说，活性炭则起吸附作用。吸附过程分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附单纯靠分子间的引力把吸附质吸附在吸附剂表面。物理吸附是可逆的，减少气相中吸取质分压力，（更多精彩文章来自“秘书不求人”）提高吸附温度，吸附质会快速解吸，而不变化其化学成分。化学吸附含有很高的选择性，一种吸附剂只对特定的物质有吸附作用。化学吸附是不可逆的，吸附后被吸附质已发生变化，变化了原来的特性。物理吸附过程可分为下列几个环节：（a）污染气体通过吸附边界层，污染气体的分子可能被吸附，也可能被从活性炭表面带走，这取决于该成分在载气和边界层中气体里的浓度差值，该值决定着吸附的强弱。当污染空气通过活性炭时，某些有害气体的浓度差值很大，因此被吸附下来，而空气中的固有成分由于浓度差基本为零，因此正常通过，而某些颗粒（如烟尘）由于过大，直接被留在大孔和中孔中。当有害气体的浓度差为零时，活性炭失效，需重新活化。（b）被吸附的分子向微孔扩散。（c）该分子被牢牢的绑扎在吸附剂表面。以上三个环节在化学反映中也必然发生。化学吸附中，吸附剂与吸附质结合比较牢固，必须在高温下才干脱附。化学吸附比物理吸附推动力更大，结合更牢固，因此对毒性很强的污染物，用化学吸附更安全。总的来说，当某一吸附质与吸附剂的表面接触时，终究是发生物理吸附还是化学吸附，要取决于吸附剂表面的反映性、吸附质的性质、温度和其它因素。其实这两种吸附不是截然分开的，需看分子力和化学键谁是重要的。在动态条件下，完毕对蒸汽的脱除，规定活性炭不仅要有一定的吸附容量，并且还要有一定的吸附速度。如果只有大的吸附容量而无一定的吸附速度，当蒸气与其短暂接触时就来不及被吸附而穿透活性炭层，反之，若只有大的吸附速度，而无一定的吸附量，脱除量也是很小的。普通认为，活性炭脱除空气中的蒸气涉及下列一种或多个阶段：（1）外扩散。空气中的气体或蒸气向颗粒的整个表面扩散；（2）内扩散。气体或蒸气分子向活性炭大孔内部（或沿大孔表面）的扩散；（3）颗粒内表面对分子的吸附；（4）被吸附的蒸气与活性炭或被吸附氧、水或浸渍剂之间的反映。上述四个阶段中每个阶段的相对重要性，可能随着发生脱除的特殊条件而有明显的不同。担相对地受温度影响较小。在空隙内扩散的重要性由诸如颗粒大小、孔隙构造特性、系统的某种扩散性和内表面上反映速度的因素而定。接触表面的吸附速率决定于表面的本性和延伸范畴，以及吸附某种所研究蒸气或气体的活化能。根据表面的特性也能测定出化学反映，由于在第（3）和第（4）阶段中会出现大量的活化能，因此这个阶段对温度非常敏感。在普通状况下，在这几个阶段内，每阶段的扩散速率是不相似的，因此，扩散阻力大的和扩散速率慢的环节控制总的传输速率，为此，要提高整个过程的吸附速率，就要强化该扩散控制区内扩散阻力大或扩散系数最小的过程，使该吸附设备的吸附效率提高。5活性炭对室内气体的吸附和过滤活性炭能有效的吸附挥发性有机物。芳族化合物能与活性炭间形成给受复体，活性炭中的羧基氧为电子给体，芳环为电子受体。当芳族中有—no2类取代基时，给受作用还会加强。在活性炭表面加入某些金属离子，非极性的链烷类化合物也能较好的被吸附。活性炭能有效的消除室内的烟味。在烟的成分中，70%是吸烟时从周边吸入的空气，另外，随着燃烧生成的蒸气、co2、co构成烟气，约达90%。香烟雾粒子大部分是由香烟颗粒分解后形成的蒸气成分凝结而成，故普通称为液滴。另外尚有某些微小颗粒。活性炭对香烟粒子有较好的捕集作用。活性炭是比表面积很大的物质，微小粒子可通过惯性作用和其它作用被阻留在活性炭的大孔或中孔中，并且其阻力随集尘增加不大。烟气中的有害气体，有的由于浓度差而被吸附，另外某些能够通过在活性炭中添加离子来去除。活性炭对co、no2、so2等无机化合物也含有很强的吸附作用。据实验证明，so2在活性炭中能被氧化并与水结合生成h2so4，同理co、no2也能被除去。另外活性炭对臭氧也有一定的吸附效果。根据资料，活性炭对砷、铅、汞等有害金属离子也含有很强的吸附能力。6小结通过以上各节的叙述，我们对活性炭的发展历史、吸附特性、吸附动