用活性炭改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的機(jī)理

1、用活性炭改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的機(jī)理簡(jiǎn)介：活性炭吸附材料對(duì)室內(nèi)氣態(tài)污染物具有優(yōu)秀的吸附性能 , 活性炭過(guò)濾器逐 漸應(yīng)用于民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中。本文簡(jiǎn)要介紹了活性炭的發(fā)展歷史、分類(lèi)、結(jié)構(gòu)、 性質(zhì), 以及活性炭吸附室內(nèi)污染物的物理和化學(xué)作用機(jī)理；同時(shí)對(duì)活性炭所去除的污 染物種類(lèi)也作了簡(jiǎn)要概括。關(guān)鍵字：活性炭空氣品質(zhì)物理吸附化學(xué)吸附1 室內(nèi)空氣品質(zhì) 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)在生活居室環(huán)境方面獲得了巨大的改善?？照{(diào)的廣 泛使用給人們創(chuàng)造了一個(gè)以溫濕度為主的舒適性環(huán)境，但同時(shí)也帶來(lái)了室內(nèi)空氣品 質(zhì)問(wèn)題， 尤其是無(wú)新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)房間， 導(dǎo)致了 “病態(tài)建筑綜合癥”、“建筑相關(guān)病”文章來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，僅供個(gè)人學(xué)習(xí)參考和

2、多種化學(xué)物過(guò)敏癥。 “病態(tài)建筑綜合癥” 的常見(jiàn)癥狀主要有頭痛、神經(jīng)疲勞、皮膚干燥、鼻塞、流鼻涕、流淚、眼癢等等。建筑相關(guān)病”是指由空氣中的某種成分直接引起的病癥，比較嚴(yán)重的有“軍團(tuán)病” 超敏性肺炎”等，有時(shí)甚至能帶來(lái)生命危險(xiǎn)。所謂室內(nèi)空氣品質(zhì)，一般是指在某個(gè)具體的環(huán)境內(nèi)，空氣中的某些要素對(duì)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(chǔ)上的。顯然，人們不僅要求適宜的室內(nèi)溫濕度，而且人 們還要求室內(nèi)空氣是新鮮的，無(wú)污染的，從而引發(fā)了對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的廣泛研究。室內(nèi)空氣基本污染物與污染源如下： 表一室內(nèi)主要污染物及其來(lái)源污染物污染源懸浮微粒燃燒

3、、抽煙、人體煙草煙霧人的吸煙行為石棉保溫材料氡及其蛻變物墻體和地基甲醛建筑材料、家具揮發(fā)性有機(jī)物（ VOC）s油漆、清潔劑、建筑材料一氧化碳二氧化碳燃燒、呼吸微生物家畜、人體過(guò)敏物臭氧現(xiàn)代電子辦公用品室內(nèi)空氣有害物的種類(lèi)繁多，但一般都是以低濃度的形式存在，有時(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人 的嗅覺(jué)閾值，但這并不意味著人體無(wú)害，恰恰相反，人一生中有五分之四的時(shí)間在 室內(nèi)度過(guò)，長(zhǎng)期受低濃度污染物的直接毒害，其后果還是相當(dāng)嚴(yán)重的。為了清除室內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)，通風(fēng)是一種非常有效的辦法，但是它也有缺點(diǎn)： 在室外大氣污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料的燃燒、工業(yè)生產(chǎn)及機(jī)動(dòng)車(chē)輛排放的廢氣使 得室外空氣的質(zhì)量也很差，而且室外空氣與室內(nèi)

4、空氣的交換會(huì)帶來(lái)巨大的能耗。局 部通風(fēng)有時(shí)也因?yàn)槲廴驹摧^分散或根本就不知道氣態(tài)污染物從何而來(lái)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。目前通用的過(guò)濾器只是過(guò)濾灰塵，還不具備清除有害氣體和細(xì)菌的功能。成功分離 低濃度的氣態(tài)污染物質(zhì)和細(xì)菌對(duì)改善室內(nèi)陸空氣品質(zhì)至為重要?；钚蕴课讲牧蠈?duì) 室內(nèi)氣態(tài)污染物具有優(yōu)秀的吸附性能，使活性炭過(guò)濾器逐漸應(yīng)用于民用建筑空調(diào)系 統(tǒng)中。在通風(fēng)量不變的條件下，它能使室內(nèi)空氣得到更全面的凈化。2 活性炭的發(fā)展歷史及分類(lèi) 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(shí)代，人類(lèi)就會(huì)利用 木炭來(lái)消除傷口散發(fā)的氣味； 1773 年，謝勒首次科學(xué)地證明了木炭對(duì)氣體具有吸附 力；1808 年，木炭被用到蔗

5、糖業(yè)； 第一次世界大戰(zhàn)期間， 為了消除化學(xué)武器的威脅， 活性炭防毒面具問(wèn)世， 這是活性炭第一次應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域； 上個(gè)世紀(jì)六十年代， 具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)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(duì)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(lèi)很多，因其原料、用途、性能、形狀不同，彼此間差別很大，分類(lèi)的方 法也很多。按外部形狀分類(lèi)，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(chǔ)上研制和開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，在日本主要以有機(jī)化合物為原料， 纖維活性炭的細(xì)度僅為頭發(fā)的 1/3 左右。我國(guó)已有用石油瀝青作原料研制出優(yōu)質(zhì)纖

6、維狀活性炭的報(bào)道。從原料分類(lèi)，可分為煤炭原料、植物原料、石油原料、塑料等。按用途分類(lèi)，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(dá)。3 活性炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 活性炭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，既不象石墨、金剛石那樣碳原子按一定的格局排列，又不象般含碳物質(zhì)那樣含有復(fù)雜且多樣的有機(jī)物，有著龐大的分子結(jié)構(gòu)。它有著自己的 獨(dú)特結(jié)構(gòu)。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(wú)規(guī)律，這種結(jié)構(gòu)叫“螺層狀結(jié)構(gòu)” 在活化過(guò)程中，基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無(wú)序碳這樣便產(chǎn)生了空隙。所剩余的碳之間堆積相當(dāng)疏松，但相互的聯(lián)結(jié)卻相

7、當(dāng)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(qiáng)度的空隙，按孔徑大小一般分為大孔、中孔和小 孔。1972 年國(guó)際精細(xì)應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)原蘇聯(lián)學(xué)者杜賓寧依據(jù)活性炭的物理性能把三 種空隙的分類(lèi)作了具體的規(guī)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(lèi)孔型 聯(lián)合會(huì)規(guī)定的孔隙直徑（ nm） 微孔 中孔 2.0 50 大孔在活性炭的吸附過(guò)程中，這三種孔隙各有其特殊功能。對(duì)吸附來(lái)說(shuō)，微孔是最重要的，它的比表面積可達(dá)幾百甚至上千山2/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(jié)構(gòu)，而且取決于它的化

8、學(xué)組成。由于基本 微晶在活化時(shí)，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(jià)或成對(duì)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(jié)構(gòu)中的雜原子。活性炭中的雜原子有兩種來(lái)源：一種是以化學(xué)結(jié) 合的元素形成的，如氧和氫，這些元素一般來(lái)源于原材料，在炭化時(shí)不能完全分解 遺留下來(lái)的，有的則是活化時(shí)，和活化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)結(jié)合在表面上的。另一種是 灰分，這些灰分主要來(lái)源于活性炭的原材料，也有少數(shù)是生產(chǎn)過(guò)程帶入的?；曳质?活性炭的微晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，氧被化學(xué)吸著于這些缺陷上，從而提高了活性炭對(duì)極 性分子的吸附作用。灰分的存在對(duì)氣體吸附（如二氧化硫、水蒸氣、醋酸

9、等）也有 直接影響。在活性炭中加入某些無(wú)機(jī)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(duì)某些物質(zhì)的吸附也可產(chǎn)生奇特的效果。氧和氫的存在對(duì)活性炭的吸附性能影響較大，它們以化學(xué)鍵與碳原子結(jié)合，是活性 炭結(jié)構(gòu)的有機(jī)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(jié)合在微晶的邊緣和角上的碳原子上，因?yàn)檫@種碳原子不完全飽和， 反應(yīng)性較高。在所有結(jié)合的元素中，氧比其他元素更引起人們的重視。因?yàn)檠鯇?duì)活性炭基本微晶 的排列及大小有重大影響。這種表面結(jié)合的氧對(duì)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。

10、例如：C O表面絡(luò)合物、表面氧化物、表面氧化化合物和化學(xué)吸著氧。這些化合物分成兩類(lèi)：一類(lèi)是在溫度低于100 C時(shí)，氣態(tài)氧和活性炭表面發(fā)生反應(yīng)生成氧的絡(luò)合物，經(jīng)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(dāng)加熱到1000C時(shí)，則生成氣態(tài)氧化物，從活性炭表面脫除。另一類(lèi)是在300500 C下，氧與活性炭接觸生成酸性氧化物，經(jīng)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(jié)合的官能團(tuán)主要有：羥基、羧基、 酚基、內(nèi)脂、醌。但只有一部分氧結(jié)合在這些官能團(tuán)中，其余的則是以醚性鏈同碳 表面結(jié)合。在活性炭中，還結(jié)合有 N CL等其他元素，這些原子的結(jié)合對(duì)活性炭的吸附性能也 有著明顯的影響。