活性炭室內空氣凈化的吸附應用原理

1、活性炭空氣凈化的吸附應用原理1室內空氣品質隨著科學技術的飛速發(fā)展，人類在生活居室環(huán)境方面獲得了巨大的改 善?？照{的廣泛使用給人們創(chuàng)造了一個以溫濕度為主的舒適性環(huán)境，但同 時也帶來了室內空氣品質問題， 尤其是無新風系統(tǒng)的空調房間， 導致了 “病 態(tài)建筑綜合癥”、“建筑相關病”和多種化學物過敏癥。“病態(tài)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?！敖ㄖ嚓P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(huán)境內，空氣中的某些要 素對人群工作、生活的適宜程度，

2、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(fā)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、人的吸煙行為、石棉、保溫材料、 氧及其蛻變物、墻體和地基、建筑材料、家具、揮發(fā)性有機物（ vocs）油 漆、清潔劑、建筑材料、一氧化碳、燃燒、吸煙、二氧化碳、燃燒、呼吸、 微生物、家畜、人體、過敏物、動物、毛發(fā)、昆蟲、花粉、臭氧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

3、嗅覺閾值，但這弁不意味著人體無害，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(yè)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(tài)污染物從何 而來而無法實現(xiàn)。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(tài)污染物質和細菌對改善室內陸空 氣品質至為重要?；钚蕴课讲牧蠈κ覂葰鈶B(tài)污染物具有優(yōu)

4、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(tǒng)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(fā)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(fā)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(yè)；第一次世界大戰(zhàn) 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(yōu)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

5、等?；钚蕴糠N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?；钚蕴?、纖維活性炭。 纖維活性炭是在碳纖維的基礎上研制和開發(fā)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(fā)的 1/3左右。我國已有用石油瀝青作原料研制出優(yōu)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(yè)催化活性炭。空氣凈化主要用氣相吸附， 要求微孔發(fā)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

6、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(guī)律，這種結構叫“螺層狀結構”?；罨^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(lián)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(lián)合會原蘇聯(lián)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(guī) 定?；钚蕴?0%勺表面積都在微孔上，所以微孔是決定其吸附性能的重要因素。在活性炭的吸

7、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k/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?；钚蕴康奈教匦圆粌H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(xiàn)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?；钚蕴恐械碾s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

8、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?；曳质够钚蕴康奈⒕ЫY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?；曳值拇嬖趯怏w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alcl3、naoh、cuo等）可使活性炭改性，吸附性能發(fā)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(yōu)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，

9、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 。表面化合物是多樣的。例如：c 。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 C時，氣態(tài)氧和活性炭表面發(fā)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 C 時，則生成氣態(tài)氧化物，從活性炭表面脫除。另一類是在300500c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

10、力。由表面氧結合的官能團 主要有：羥基、竣基、酚基、內脂、釀。但只有一部分氧結合在這些官能 團中，其余的則是以醴性鏈同碳表面結合。在活性炭中，還結合有 n、cl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(lián)形成了發(fā)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(xiàn)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(xiàn)象叫吸附?；旌衔锿ㄟ^某種設備后

11、，其中部分物質被去除的現(xiàn)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，（更多精彩文章來自“秘書不求人”）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(fā)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

12、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(fā)生?；瘜W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?；瘜W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?？偟膩碚f，當某一吸附質與吸附

13、劑的表面接觸時，究竟是發(fā)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(tài)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?？諝庵械臍怏w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；(

14、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(fā)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(tǒng)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(xiàn)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

15、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(qū)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(fā)性有機物。芳族化合物能與活性炭間形成給 受復體，活性炭中的竣基氧為電子給體，芳環(huán)為電子受體。當芳族中有一 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?；钚蕴磕苡行У南覂鹊臒熚丁?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、co2、co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

16、滴。另外還有一些微小顆粒?；钚蕴繉ο銦熈Ｗ佑泻芎玫牟都饔??；?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co、no2、so2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弁與水結合生成 h2so4,同理co、no2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，活性炭對碑、 鉛、汞等有害金屬離子也具有很強的吸附能力。6小結通過以上各節(jié)的論述，我們對活性炭的發(fā)展歷史、吸附特性、吸附動