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              新聞動態
              用活性炭改善室內空氣品質的機理

              1 室內空氣品質

                  隨著科學技術的飛速發展,人類在生活居室環境方面獲得了巨大的改善。空調的廣泛使用給人們創造了一個以溫濕度為主的舒適性環境,但同時也帶來了室內空氣品質問題,尤其是無新風系統的空調房間,導致了病態建筑綜合癥建筑相關病和多種化學物過敏癥。病態建筑綜合癥的常見癥狀主要有頭痛、神經疲勞、皮膚干燥、鼻塞、流鼻涕、流淚、眼癢等等。建筑相關病是指由空氣中的某種成分直接引起的病癥,比較嚴重的有軍團病超敏性肺炎等,有時甚至能帶來生命危險。

                  所謂室內空氣品質,一般是指在某個具體的環境內,空氣中的某些要素對 人群工作、生活的適宜程度,是反映了人們的具體要求而形成的一種概念。這種概念是建立在以人為本的基礎上的。顯然,人們不僅要求適宜的室內溫濕度,而且人們還要求室內空氣是新鮮的,無污染的,從而引發了對室內空氣品質的廣泛研究。

              室內空氣基本污染物與污染源如下:

              表一 室內主要污染物及其來源

              懸浮微粒

              燃燒、抽煙、人體

              煙草煙霧

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              二氧化碳

              燃燒、呼吸

              微生物

              家畜、人體

              過敏物

              動物、毛發、昆蟲、花粉

              臭氧

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                  室內空氣有害物的種類繁多,但一般都是以低濃度的形式存在,有時還遠遠低于人的嗅覺閾值,但這并不意味著人體無害,恰恰相反,人一生中有五分之四的時間在室內度過,長期受低濃度污染物的直接毒害,其后果還是相當嚴重的。

                  為了清除室內空氣中的有害物質,通風是一種非常有效的辦法,但是它也有缺點:在室外大氣污染日趨嚴重的今天,燃料的燃燒、工業生產及機動車輛排放的廢氣使得室外空氣的質量也很差,而且室外空氣與室內空氣的交換會帶來巨大的能耗。局部通風有時也因為污染源較分散或根本就不知道氣態污染物從何而來而無法實現。目前通用的過濾器只是過濾灰塵,還不具備清除有害氣體和細菌的功能。成功分離低濃度的氣態污染物質和細菌對改善室內陸空氣品質至為重要。活性炭吸附材料對室內氣態污染物具有優秀的吸附性能,使活性炭過濾器逐漸應用于民用建筑空調系統中。在通風量不變的條件下,它能使室內空氣得到更全面的凈化。

              2 活性炭的發展歷史及分類

              使用活性炭作為一種吸附材料已具有悠久的歷史。早在古埃及時代,人類就會利用木炭來消除傷口散發的氣味;1773年,謝勒首次科學地證明了木炭對氣體具有吸附力;1808年,木炭被用到蔗糖業;第一次世界大戰期間,為了消除化學武器的威脅,活性炭防毒面具問世,這是活性炭第一次應用于空氣凈化領域;上個世紀六十年代,具有獨特化學結構、物理結構且吸附性能優異的新型纖維狀活性炭材料研制成功。目前對吸附材料的研究集中于非均勻吸附劑的加工工藝、微觀特征、能量不均勻性及吸附性能等。

                  活性炭種類很多,因其原料、用途、性能、形狀不同,彼此間差別很大,分類的方法也很多。按外部形狀分類,可分為粉狀活性炭、顆粒活性炭、纖維活性炭。纖維活性炭是在碳纖維的基礎上研制和開發的新產品,在日本主要以有機化合物為原料,纖維活性炭的細度僅為頭發的1/3左右。我國已有用石油瀝青作原料研制出優質纖維狀活性炭的報道。從原料分類,可分為煤炭原料、植物原料、石油原料、塑料等。按用途分類,可分為氣相吸附、液相吸附、工業催化活性炭。空氣凈化主要用氣相吸附,要求微孔發達。

              3 活性炭的結構和性質

              活性炭結構比較復雜,既不象石墨、金剛石那樣碳原子按一定的格局排列,又不象一般含碳物質那樣含有復雜且多樣的有機物,有著龐大的分子結構。它有著自己的獨特結構。它由排列成六角形的碳原子平面層組成,但是這些平面不是完全沿共同的垂直軸排列而是一層與一層的角位移雜亂而無規律,這種結構叫螺層狀結構。在活化過程中,基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無序碳這樣便產生了空隙。所剩余的碳之間堆積相當疏松,但相互的聯結卻相當牢固。因此各微晶之間才有許多形狀不同,大小不等又有一定強度的空隙,按孔徑大小一般分為大孔、中孔和小孔。1972年國際精細應用化學聯合會原蘇聯學者杜賓寧依據活性炭的物理性能把三種空隙的分類作了具體的規定。活性炭90%的表面積都在微孔上,所以微孔是決定其吸附性能的重要因素。

              表二 活性炭孔隙分類

              孔型

              聯合會規定的孔隙直徑(nm

              微孔

              <2.0

              中孔

              2.050

              大孔

              >50

              在活性炭的吸附過程中,這三種孔隙各有其特殊功能。對吸附來說,微孔是最重要的,它的比表面積可達幾百甚至上千㎡/g,孔容也比較大。微孔在很大程度上決定著活性炭的吸附能力。

              活性炭的吸附特性不僅取決于它的孔隙結構,而且取決于它的化學組成。由于基本微晶在活化時,一部分被燒掉,受到不完整石墨層的干擾改變了碳骨架電子云的排列,出現了不完全飽和價或成對電子直接影響著活性炭的吸附特性。另一影響活性炭吸附特性的是結構中的雜原子。活性炭中的雜原子有兩種來源:一種是以化學結合的元素形成的,如氧和氫,這些元素一般來源于原材料,在炭化時不能完全分解遺留下來的,有的則是活化時,和活化劑進行化學反應結合在表面上的。另一種是灰分,這些灰分主要來源于活性炭的原材料,也有少數是生產過程帶入的。灰分使活性炭的微晶結構產生缺陷,氧被化學吸著于這些缺陷上,從而提高了活性炭對極性分子的吸附作用。灰分的存在對氣體吸附(如二氧化硫、水蒸氣、醋酸等)也有直接影響。

              在活性炭中加入某些無機化合物(如ALCL3NaOHCuO等)可使活性炭改性,吸附性能發生了某些明顯的變化。對某些物質的吸附也可產生奇特的效果。

                  氧和氫的存在對活性炭的吸附性能影響較大,它們以化學鍵與碳原子結合,是活性炭結構的有機部分。它們是優良活性炭的重要組分。按照固體表面多相理論,氧、氫和其他雜原子結合在微晶的邊緣和角上的碳原子上,因為這種碳原子不完全飽和,反應性較高。

                  在所有結合的元素中,氧比其他元素更引起人們的重視。因為氧對活性炭基本微晶的排列及大小有重大影響。這種表面結合的氧對水蒸氣和其他極性或可極化氣體的吸附能力有重大影響。

                 C—O表面化合物是多樣的。例如:C—O表面絡合物、表面氧化物、表面氧化化合物和化學吸著氧。這些化合物分成兩類:一類是在溫度低于100時,氣態氧和活性炭表面發生反應生成氧的絡合物,經水合作用生成羥基和其他堿性基,這些堿性基可以起到離子交換作用;當加熱到1000時,則生成氣態氧化物,從活性炭表面脫除。另一類是在300500下,氧與活性炭接觸生成酸性氧化物,經水合作用可生成酸性表面化合物,也有離子交換能力。由表面氧結合的官能團主要有:羥基、羧基、酚基、內脂、醌。但只有一部分氧結合在這些官能團中,其余的則是以醚性鏈同碳表面結合。

                  在活性炭中,還結合有NCL等其他元素,這些原子的結合對活性炭的吸附性能也有著明顯的影響。

              綜上所述:在活性炭中,由于微晶間的強烈交聯形成了發達的微孔結構,通過活化反應使微孔擴大形成了許多大小不同的孔隙,其表面一部分被燒掉,結構出現不完整,加上灰分及雜原子的存在,使活性炭的基本結構產生缺陷和不飽和價,使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上,因而使活性炭產生各種各樣的吸附特性。

              4 活性炭吸附和過濾機理

              物質在固體表面上或微孔容積內積聚的現象叫吸附。混合物通過某種設備后,其中部分物質被去除的現象叫過濾。就室內空氣來說,經過活性炭后,部分有害物質被去除,活性炭起過濾作用;而就部分有害物質來說,活性炭則起吸附作用。

              吸附過程分為物理吸附和化學吸附兩種。物理吸附單純靠分子間的引力把吸附質吸附在吸附劑表面。物理吸附是可逆的,降低氣相中吸收質分壓力,提高吸附溫度,吸附質會迅速解吸,而不改變其化學成分。化學吸附具有很高的選擇性,一種吸附劑只對特定的物質有吸附作用。化學吸附是不可逆的,吸附后被吸附質已發生變化,改變了原來的特性。

              物理吸附過程可分為以下幾個步驟:(a)污染氣體通過吸附邊界層,污染氣體的分子可能被吸附,也可能被從活性炭表面帶走,這取決于該成分在載氣和邊界層中氣體里的濃度差值,該值決定著吸附的強弱。當污染空氣通過活性炭時,一些有害氣體的濃度差值很大,所以被吸附下來,而空氣中的固有成分由于濃度差基本為零,所以正常通過,而一些顆粒(如煙塵)由于過大,直接被留在大孔和中孔中。當有害氣體的濃度差為零時,活性炭失效,需重新活化。(b)被吸附的分子向微孔擴散。(c)該分子被牢牢的綁扎在吸附劑表面。

              以上三個步驟在化學反應中也必然發生。化學吸附中,吸附劑與吸附質結合比較牢固,必須在高溫下才能脫附。化學吸附比物理吸附推動力更大,結合更牢固,所以對毒性很強的污染物,用化學吸附更安全。物理吸附和化學吸附的區別如下:

              表三 物理吸附和化學吸附的區別

               

              物理吸附

              化學吸附

              吸附溫度

              不能大大高于吸附質的沸點

              與吸附質的沸點無關

              吸附速度

              不需要任何活化能,其速度非常高,其與速度無關

              吸附速度受活化能的影響,在很寬的范圍隨溫度變化

              選擇性

              無選擇性

              有很強的選擇性

              吸附方式

              多分子層吸附

              單分子層吸附

              總的來說,當某一吸附質與吸附劑的表面接觸時,究竟是發生物理吸附還是化學吸附,要取決于吸附劑表面的反應性、吸附質的性質、溫度和其他因素。其實這兩種吸附不是截然分開的,需看分子力和化學鍵誰是主要的。

              在動態條件下,完成對蒸汽的脫除,要求活性炭不僅要有一定的吸附容量,而且還要有一定的吸附速度。如果只有大的吸附容量而無一定的吸附速度,當蒸氣與其短暫接觸時就來不及被吸附而穿透活性炭層,反之,若只有大的吸附速度,而無一定的吸附量,脫除量也是很小的。通常認為,活性炭脫除空氣中的蒸氣包括以下一個或多個階段:

              1)外擴散。空氣中的氣體或蒸氣向顆粒的整個表面擴散;

              2)內擴散。氣體或蒸氣分子向活性炭大孔內部(或沿大孔表面)的擴散;

              3)顆粒內表面對分子的吸附;

              4)被吸附的蒸氣與活性炭或被吸附氧、水或浸漬劑之間的反應。

              上述四個階段中每個階段的相對重要性,可能隨著發生脫除的特殊條件而有顯著的不同。擔相對地受溫度影響較小。在空隙內擴散的重要性由諸如顆粒大小、孔隙結構特征、系統的某種擴散性和內表面上反應速度的因素而定。接觸表面的吸附速率決定于表面的本性和延伸范圍,以及吸附某種所研究蒸氣或氣體的活化能。根據表面的特性也能測定出化學反應,因為在第(3)和第(4)階段中會出現大量的活化能,所以這個階段對溫度非常敏感。

                  在通常情況下,在這幾個階段內,每階段的擴散速率是不相同的,因此,擴散阻力大的和擴散速率慢的步驟控制總的傳播速率,為此,要提高整個過程的吸附速率,就要強化該擴散控制區內擴散阻力大或擴散系數最小的過程,使該吸附設備的吸附效率提高。

              5 活性炭對室內氣體的吸附和過濾

              活性炭能有效的吸附揮發性有機物。芳族化合物能與活性炭間形成給受復體,活性炭中的羧基氧為電子給體,芳環為電子受體。當芳族中有—NO2類取代基時,給受作用還會加強。在活性炭表面加入某些金屬離子,非極性的鏈烷類化合物也能很好的被吸附。

              活性炭能有效的消除室內的煙味。在煙的成分中,70%是吸煙時從周圍吸入的空氣,另外,隨著燃燒生成的蒸氣、CO2CO構成煙氣,約達90%。香煙霧粒子大部分是由香煙顆粒分解后形成的蒸氣成分凝結而成,故通常稱為液滴。另外還有一些微小顆粒。活性炭對香煙粒子有很好的捕集作用。活性炭是比表面積很大的物質,微小粒子可通過慣性作用和其他作用被阻留在活性炭的大孔或中孔中,而且其阻力隨集塵增加不大。煙氣中的有害氣體,有的由于濃度差而被吸附,另外一些可以通過在活性炭中添加離子來去除。

              活性炭對CONO2SO2等無機化合物也具有很強的吸附作用。據實驗證明,SO2在活性炭中能被氧化并與水結合生成H2SO4,同理CONO2也能被除去。另外活性炭對臭氧也有一定的吸附效果。根據資料,活性炭對砷、鉛、汞等有害金屬離子也具有很強的吸附能力。

               
               
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