活性炭净化空气论文

活性炭净化空气刘卫东武汉科技大学资源与环境工程学院安全工程1002班201001145060摘要：随着社会的进步,环保越来越受到人们的重视，空气品质也逐渐受到人们的关注。用活性炭吸附气体是空气净化、除去臭气、回收产品的一种重要方法，活性炭在治理空气污染方面的需求量将越来越大。活性炭吸附材料对室内气态污染物具有优秀的吸附性能,活性炭过滤器逐渐应用于民用建筑空调系统中。本文简要介绍了活性炭的定义、结构、性质、作用机理；活性炭净化空气机理以及活性炭吸附室内污染物的物理和化学作用机理；同时介绍了活性炭过滤器的机理；最后对活性炭净化气体的优缺点也作了简要概括。Alongwiththeprogressofthesociety,moreandmorepeoplepayattentiontoenvironmentalprotection,airqualityhasreceivedmoreattentionUsingactivatedcarbonadsorptiongasisairpurification,removingodor,animportantmethodofrecycledproducts,activecarboninthetreatmentofairpollutionofthedemandwillbebiggerandbigger.Activatedcarbonadsorptionmaterialhasexcellentadsorptionperformanceofindoorgaseouspollutants,activatedcarbonfilterisusedinairconditioningsystemsincivilbuildings.Thispaperbrieflyintroducesthedefinition,structure,properties,mechanismofactionofactivatedcarbonandactivatedcarbonadsorptionmechanism;theairindoorpollutantofthephysicalandchemicalmechanismofpurifyingactivatedcarbon;atthesametimeintroducedthemechanismofactivatedcarbonfilter;finallypurifiedgasonactivatedcarbonissummarizedbriefly.关键词：活性炭净化空气室内净化活性炭过滤器一、活性炭活性炭又称活性炭黑。是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷，因此它是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积大。活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。在此活化过程中，巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成，而所谓的吸附过程正是在这些孔隙中和表面上进行的，活性炭中孔隙的大小对吸附质有选择吸附的作用，这是由于大分子不能进入比它孔隙小的活性炭孔径内的缘故。活性炭的孔结构在水处理应用中起到的作用颗粒活性炭常常应用于吸附分子，颗粒活性炭吸附性决定应用性，而吸附性和各种炭型的孔大小分布相关。以水蒸气活化的泥煤基、褐煤基和椰壳基粉状活性炭为例：泥煤基活性炭具有微孔和中孔，颗粒活性炭可供多种应用；褐煤基炭具中孔较多，颗粒活性炭而且还有较大的中孔，提供优良的可入性；椰壳基颗粒活性炭中主要是微孔，仅适用于低分子的去除。利用化学品活化的颗粒活性炭是非常多孔的，多在微孔和中孔范围，但是，比较水蒸气活化的活性炭、化学品活化的活性炭的孔表面是较少疏水性和较多负电荷。以挤压型和破碎型粒状活性炭为例：泥煤基挤压型活性炭能制成各种不同孔大小分布的品种。颗粒活性炭微孔为主的品种主要用于气相应用的黄金回收。既有微孔又有中孔的品种大都用于液相应用，如水纯化中吸附小分子和大分子的杂质。破碎型煤基颗粒活性炭兼有微孔和中孔，可供多种目的的应用。褐煤基或椰壳基的粒状活性炭与粉状炭一样具有相同的微孔和中孔结构。活性炭的技术指标非常重要：活性炭产品的性能指标可分为物理性能指标、活性炭化学性能指标、颗粒活性炭吸附性能指标。三种性能指标对活性炭的选择和应用都起到非常重要的作用。活性炭主要物理性能指标有：形状、外观、比表面积、孔容积、比重、目数、粒度、耐磨强度、漂浮率等。颗粒活性炭主要化学性能指标有：PH值、灰分、水分、着火点、未炭化物、硫化物、氯化物、氰化物、硫酸盐、酸溶物、醇溶物、铁含量、锌含量、铅含量、砷含量、钙镁含量、重金属含量、磷酸盐等。活性炭主要吸附性能指标有：亚甲蓝吸附值、碘吸附值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附值、焦糖吸附值、硫酸奎宁吸附值、饱和硫容量、穿透硫容量、水容量、氯乙烷蒸汽防护时间、ABS值等。吸附原理根据吸附过程中，活性炭分子和污染物分子之间作用力的不同，可将吸附分为两大类;物理吸附和化学吸附(又称活性吸附)。在吸附过程中，当活性炭分子和污染物分子之间的作用力是范德华力(或静电引力)时称为物理吸附;当活性炭分子和污染物分子之间的作用力是化学键时称为化学吸附。物理吸附的吸附强度主要与活性炭的物理性质有关，与活性炭的化学性质基本无关。由于范德华力较弱，对污染物分子的结构影响不大，这种力与分子间内聚力一样，故可把物理吸附类比为凝聚现象。物理吸附时污染物的化学性质仍然保持不变。由于化学键强，对污染物分子的结构影响较大，故可把化学吸附看做化学反应，是污染物与活性炭间化学作用的结果。化学吸附一般包含电子对共享或电子转移，而不是简单的微扰或弱极化作用，是不可逆的化学反应过程。物理吸附和化学吸附的根本区别在于产生吸附键的作用力。吸附过程是污染物分子被吸附到固体表面的过程，分子的自由能会降低，因此，吸附过程是放热过程，所放出的热称为该污染物在此固体表面上的吸附热。由于物理吸附和化学吸附的作用力不同，它们在吸附热、吸附速率、吸附活化能、吸附温度、选择性、吸附层数和吸附光谱等方面表现出一定的差异。过滤原理活性炭过滤器是将水中悬浮状态的污染物进行截留的过程，被截留的悬浮物充塞于活性炭间的空隙。滤层孔隙尺度以及孔隙率的大小，随活性炭料粒度的加大而增大。即活性炭粒度越粗，可容纳悬浮物的空间越大。其表现为过滤能力增强，纳污能力增加，截污量增大。同时，活性炭滤层孔隙越大，水中悬浮物越能被更深地输送至下一层活性炭滤层，在有足够保护厚度的条件下，悬浮物可以更多地被截留，使中下层滤层更好地发挥截留作用，机组截污量增加。从严格的理论上讲，活性炭所具有的对悬浮物的截留能力来自活性炭所提供的表面积。流速低时，机组的过滤能力主要地来自活性炭的筛除作用，而流速快时，过滤能力来自活性炭颗粒表面的吸附作用，在过滤过程中活性炭所提供的颗粒表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。[2]主要用途果壳活性炭被广泛应用于生活用水、工业用水和废水的深度净化及气相吸附，如石油化工、电厂、食品饮料、制糖制酒、医药、养鱼等行业水质净化处理，能有效吸附水中的游离氯、酚、硫和其它有机污染物，特别是致突变物（THM）的前驱物质，达到过滤除杂去异味。还可用于车间尾气净化、溶剂过滤、脱色、提纯等，气体脱硫、石油催化重整，气体分离、变压吸附、空气干燥、食品保鲜、防毒面具、解媒载体，有机溶剂回收；贵重金属提炼；化学工业中的催化剂及催化剂载体等功能。活性炭与植物源空气净化技术对比活性炭缺点：吸附原理,主动吸附空气中的甲醛等有毒物质到自身,饱和后会自主释放，如不清洗晒碳自身就会变成污染源。优点：价格实惠活性炭净化空气用活性炭吸附气体是空气净化、除去臭气、回收产品的一种重要方法。随着人们对环保意识的增强，活性炭在治理空气污染方面的需求量将越来越大。通常，用于气体吸附的是颗粒活性炭，发达的微孔结构使其具有较强的吸附能力。活性炭吸附的气体种类多、速度快，而且大多数可以再生，废弃时，活性炭本身没有化学污染，在室内空气讲话、易挥发性溶剂的回收利用、工业气体的分离纯化等方面得到很快的发展。活性炭气相吸附的应用领域：1、废气净化和回收、苯回收、甲苯回收、二甲苯回收、丙酮回收、油气回收、CS2吸附等有机溶剂吸附与回收。2、香烟过滤嘴、装修除味、室内空气净化(甲醛，苯等的去除)，工业用气的净化(如CO2、N2等)。3、石化行业生产、加油站汽油回收、干洗机四氯乙烯吸附、天然气净化、脱硫、除臭、废气的治理。4、生化、油漆工业、地下场所、皮革工厂、动物饲养场所的空气净化、脱臭。5、烟道气的臭气吸附、氨气NH3、硫化物吸附，汞蒸汽的去除。活性炭净化空气的历史：使用活性炭作为一种空气净化吸附材料已具有悠久的历史。早在古埃及时代，人类就会利用木炭来消除伤口散发的气味；1773年，谢勒首次科学地证明了木炭对气体具有吸附力；1808年，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，具有独特化学结构、物理结构且吸附性能优异的新型纤维状活性炭材料研制成功。目前对吸附材料的研究集中于非均匀吸附剂的加工工艺、微观特征、能量不均匀性及吸附性能等。净化空气活性炭的分类：净化空气活性炭种类很多，因其原料、用途、性能、形状不同，彼此间差别很大，分类的方法也很多。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，在日本主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。空气净化主要用气相吸附，要求微孔发达。净化空气活性炭的结构和性质：活性炭结构比较复杂，既不象石墨、金刚石那样碳原子按一定的格局排列，又不象一般含碳物质那样含有复杂且多样的有机物，有着庞大的分子结构。它有着自己的独特结构。它由排列成六角形的碳原子平面层组成，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，这种结构叫“螺层状结构”。在活化过程中，基本微晶之间清除了各种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当疏松，但相互的联结却相当牢固。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，按孔径大小一般分为大孔、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依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，所以微孔是决定其吸附性能的重要因素。表一：活性炭孔隙分类孔型联合会规定的孔隙直径（nm）微孔<2.0中孔2.0～50大孔>50在活性炭的吸附过程中，这三种孔隙各有其特殊功能。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结构，而且取决于它的化学组成。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改变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结构中的杂原子。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，这些元素一般来源于原材料，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应结合在表面上的。另一种是灰分，这些灰分主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结构产生缺陷，氧被化学吸着于这些缺陷上，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，是活性炭结构的有机部分。它们是优良活性炭的重要组分。按照固体表面多相理论，氧、氢和其他杂原子结合在微晶的边缘和角上的碳原子上，因为这种碳原子不完全饱和，反应性较高。在所有结合的元素中，氧比其他元素更引起人们的重视。因为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他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应生成氧的络合物，经水合作用生成羟基和其他碱性基，这些碱性基可以起到离子交换作用；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主要有：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，其余的则是以醚性链同碳表面结合。在活性炭中，还结合有N、CL等其他元素，这些原子的结合对活性炭的吸附性能也有着明显的影响。综上所述：在活性炭中，由于微晶间的强烈交联形成了发达的微孔结构，通过活化反应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，结构出现不完整，加上灰分及杂原子的存在，使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价，使氧及其他杂原子吸着于这些缺陷上，因而使活性炭产生各种各样的吸附特性。三、活性炭应用于室内空气净化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创造了一个以温湿度为主的舒适性环境，但同时也带来了室内空气品质问题，尤其是无新风系统的空调房间，导致了“病态建筑综合症”、“建筑相关病”和多种化学物过敏症。“病态建筑综合症”的常见症状主要有头痛、神经疲劳、皮肤干燥、鼻塞、流鼻涕、流泪、眼痒等等。“建筑相关病”是指由空气中的某种成分直接引起的病症，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，一般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要求而形成的一种概念。这种概念是建立在“以人为本”的基础上的。显然，人们不仅要求适宜的室内温湿度，而且人们还要求室内空气是新鲜的，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如下：表一室内主要污染物及其来源污染物污染源悬浮微粒燃烧、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甲醛建筑材料、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、花粉臭氧现代电子办公用品室内空气有害物的种类繁多，但一般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，长期受低浓度污染物的直接毒害，其后果还是相当严重的。为了清除室内空气中的有害物质，通风是一种非常有效的办法，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，而且室外空气与室内空气的交换会带来巨大的能耗。局部通风有时也因为污染源较分散或根本就不知道气态污染物从何而来而无法实现。目前通用的过滤器只是过滤灰尘，还不具备清除有害气体和细菌的功能。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具有优秀的吸附性能，使活性炭过滤器逐渐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面的净化。通过以上论述，我们对活性炭的发展历史、吸附特性、吸附动力学以及对室内气体的吸附和过滤作用有了一个初步的了解。总之，活性炭对室内空气具有良好的除异味、除菌效果，能够有效的改善室内空气的品质。使用活性炭净化空气，可以减少通风量，降低了空调能耗。为了提高净化效率，可以从活性炭过滤器的结构和吸附材料的选择方面加以改进，尤其是活性炭纤维，其微孔特点使其对低浓度有害气体具有极高的吸附量和吸附速度。目前，活性炭过滤器的造价还比较高，这影响了它在民用空调中的应用。如果能降低其成本，并在它对具体污染成分的去除效果上有理论突破，活性炭过滤器必将有广阔的发展前景。四、活性炭过滤器活性碳过滤器压力容器是一种内装填粗石英砂垫层及优质活性炭的压力容器。功能：在水质预处理系统中，活性炭过滤器能够吸附前级过滤中无法去除的余氯以防止后级反渗透膜受其氧化降解，同时还吸附从前级泄漏过来的小分子有机物等污染性物质，对水中异味、胶体及色素、重金属离子等有较明显的吸附去除作用，还具有降低COD的作用。可以进一步降低RO进水的SDI值，保证SDI<5，TOC<2.Oppm。活性炭过滤器的工作是通过炭床来完成的。组成炭床的活性炭颗粒有非常多的微孔和巨大的比表面积，具有很强的物理吸附能力。水通过炭床，水中有机污染物被活性炭有效地吸附。此外活性炭表面非结晶部分上有一些含氧官能团，使通过炭床的水中之有机污染物被活性炭有效地吸附。活性炭过滤器是一种较常用的水处理设备，作为水处理脱盐系统前处理可有效保证后级设备使用寿命，提高出水水质，防止污染，特别是防止后级反渗透膜，离子交换树脂等的游离态余氧中毒污染。影响活性炭过滤器吸附效果和使用寿命的主要因素有：污染物的种类和浓度、气流在过滤材料中的滞留时间、空气的温度和湿度。实际选用时，要根据污染物种类、浓度和处理风量等条件，确定过滤器形式和活性炭种类。活性炭过滤器的上下游均应有好的除尘过滤器，其效率规格应不低于F7。上游过滤器防止灰尘堵塞活性炭材料；下游过滤器拦住活性炭本身的发尘。[1]工作原理活性炭过滤器是利用颗粒活性炭进一步去除机械过滤器出水中的残存的余氯、有机物、悬浮物的杂质，为后续的反渗透处理提供良好条件。[2]活性炭过滤器主要利用含碳量高、分子量大、比表面积大的活性炭有机絮凝体对水中杂质进行物理吸附，达到水质要求，当水流通过活性炭的孔隙时，各种悬浮颗粒、有机物等在范德华力的作用下被吸附在活性炭孔隙中;同时，吸附于活性炭表面的氯(次氯酸)在炭表面发生化学反应，被还原成氯离子，从而有效地去除了氯，确保出水余氯量小于0.1ppm，满足RO膜的运行条件。随时间推移活性炭的孔隙内和颗粒之间的截留物逐渐增加，使滤器的前后压差随之升高，直至失效。在通常情况下，根据过滤器的前后压差，利用逆向水流反洗滤料，使大部分吸附于活性炭孔隙中的截留物剥离并被水流带走，恢复吸附功能;当活性炭达到饱和吸附容量彻底失效时，应对活性炭再生或更换活性炭，以满足工程要求。五、性炭净化空气的优缺点活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和丰富的官能团，在净化空气应用方面具有以下几个优点：1)应用范围广，不仅可以吸附空气中的多种污染成分，如固体颗粒、有害气体等，而且本身具有抗菌、抑菌作用，可以消除空气中的致病微生物。应用场所不受限制，无论是在居室、厨房、厕所、办公室还是公共娱乐场所都适用。2)在分离和净化过程中，活性炭是唯一不需要预先严格除去水分的吸附剂。3)活性炭价格不高，在吸附时又不需要专门设备，不消耗能量，应用起来比较经济。4)与其他吸附剂相比，活性炭具有很高的比表面积，因此它可以吸附更多非极性或弱极性有机分子。5)应用非常方便，吸附剂可以选择多