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)病和多種化學(xué)物過(guò)敏癥?！安B(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?！敖ㄖ嚓P(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、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（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(guò)敏物
動(dòng)物、毛發(fā)、昆蟲(chóng)、花粉
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)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。活性炭吸附材料對(duì)室內(nèi)氣態(tài)污染物具有的吸附性能，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，木炭被用到蔗糖業(yè);*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*次應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域;上個(gè)世紀(jì)六十年代，具有*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(guān)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纖維狀活性炭的報(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，又不象一般含碳物質(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*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*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
<2.0
中孔
2.0～50
大孔
>50
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)，微孔是重要的，它的比表面積可達(dá)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(jié)構(gòu)，而且取決于它的化學(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*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*分解下來(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?；曳质够钚蕴康奈⒕ЫY(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*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。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℃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1000℃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300～500℃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。
綜上所述：在活性炭中，由于微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，其表面一部分被燒掉，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性。
4 活性炭吸附和過(guò)濾機(jī)理
物質(zhì)在固體表面上或微孔容積內(nèi)積聚的現(xiàn)象叫吸附。混合物通過(guò)某種設(shè)備后，其中部分物質(zhì)被去除的現(xiàn)象叫過(guò)濾。就室內(nèi)空氣來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)活性炭后，部分有害物質(zhì)被去除，活性炭起過(guò)濾作用;而就部分有害物質(zhì)來(lái)說(shuō)，活性炭則起吸附作用。
吸附過(guò)程分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附單純靠分子間的引力把吸附質(zhì)吸附在吸附劑表面。物理吸附是可逆的，降低氣相中吸收質(zhì)分壓力，提高吸附溫度，吸附質(zhì)會(huì)迅速解吸，而不改變其化學(xué)成分?；瘜W(xué)吸附具有很高的選擇性，一種吸附劑只對(duì)特定的物質(zhì)有吸附作用?；瘜W(xué)吸附是不可逆的，吸附后被吸附質(zhì)已發(fā)生變化，改變了原來(lái)的特性。
物理吸附過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟：(a)污染氣體通過(guò)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(qiáng)弱。當(dāng)污染空氣通過(guò)活性炭時(shí)，一些有害氣體的濃度差值很大，所以被吸附下來(lái)，而空氣中的固有成分由于濃度差基本為零，所以正常通過(guò)，而一些顆粒(如煙塵)由于過(guò)大，直接被留在大孔和中孔中。當(dāng)有害氣體的濃度差為零時(shí)，活性炭失效，需重新活化。(b)被吸附的分子向微孔擴(kuò)散。(c)該分子被牢牢的綁扎在吸附劑表面。
以上三個(gè)步驟在化學(xué)反應(yīng)中也必然發(fā)生?；瘜W(xué)吸附中，吸附劑與吸附質(zhì)結(jié)合比較牢固，必須在高溫下才能脫附?；瘜W(xué)吸附比物理吸附推動(dòng)力更大，結(jié)合更牢固，所以對(duì)毒性很強(qiáng)的污染物，用化學(xué)吸附更安全。物理吸附和化學(xué)吸附的區(qū)別如下：
表三 物理吸附和化學(xué)吸附的區(qū)別
物理吸附
化學(xué)吸附
吸附溫度
不能大大高于吸附質(zhì)的沸點(diǎn)
與吸附質(zhì)的沸點(diǎn)無(wú)關(guān)
吸附速度
不需要任何活化能，其速度非常高，其與速度無(wú)關(guān)
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(wú)選擇性
有很強(qiáng)的選擇性
吸附方式
多分子層吸附
單分子層吸附
總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)某一吸附質(zhì)與吸附劑的表面接觸時(shí)，究竟是發(fā)生物理吸附還是化學(xué)吸附，要取決于吸附劑表面的反應(yīng)性、吸附質(zhì)的性質(zhì)、溫度和其他因素。其實(shí)這兩種吸附不是截然分開(kāi)的，需看分子力和化學(xué)鍵誰(shuí)是主要的。
在動(dòng)態(tài)條件下，完成對(duì)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(wú)一定的吸附速度，當(dāng)蒸氣與其短暫接觸時(shí)就來(lái)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(wú)一定的吸附量，脫除量也是很小的。通常認(rèn)為，活性炭脫除空氣中的蒸氣包括以下一個(gè)或多個(gè)階段：
(1)外擴(kuò)散?？諝庵械臍怏w或蒸氣向顆粒的整個(gè)表面擴(kuò)散;
(2)內(nèi)擴(kuò)散。氣體或蒸氣分子向活性炭大孔內(nèi)部(或沿大孔表面)的擴(kuò)散;
(3)顆粒內(nèi)表面對(duì)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(yīng)。
上述四個(gè)階段中每個(gè)階段的相對(duì)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(dān)相對(duì)地受溫度影響較小。在空隙內(nèi)擴(kuò)散的重要性由諸如顆粒大小、孔隙結(jié)構(gòu)特征、系統(tǒng)的某種擴(kuò)散性和內(nèi)表面上反應(yīng)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(jù)表面的特性也能測(cè)定出化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)樵诘?3)和第(4)階段中會(huì)出現(xiàn)大量的活化能，所以這個(gè)階段對(duì)溫度非常敏感。
在通常情況下，在這幾個(gè)階段內(nèi)，每階段的擴(kuò)散速率是不相同的，因此，擴(kuò)散阻力大的和擴(kuò)散速率慢的步驟控制總的傳播速率，為此，要提高整個(gè)過(guò)程的吸附速率，就要強(qiáng)化該擴(kuò)散控制區(qū)內(nèi)擴(kuò)散阻力大或擴(kuò)散系數(shù)小的過(guò)程，使該吸附設(shè)備的吸附效率提高。
5 活性炭對(duì)室內(nèi)氣體的吸附和過(guò)濾
活性炭能有效的吸附揮發(fā)性有機(jī)物。芳族化合物能與活性炭間形成給受復(fù)體，活性炭中的羧基氧為電子給體，芳環(huán)為電子受體。當(dāng)芳族中有—no2類(lèi)取代基時(shí)，給受作用還會(huì)加強(qiáng)。在活性炭表面加入某些金屬離子，非極性的鏈烷類(lèi)化合物也能很好的被吸附。
活性炭能有效的消除室內(nèi)的煙味。在煙的成分中，70%是吸煙時(shí)從周?chē)氲目諝?，另外，隨著燃燒生成的蒸氣、co2、co構(gòu)成煙氣，約達(dá)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(jié)而成，故通常稱(chēng)為液滴。另外還有一些微小顆粒。活性炭對(duì)香煙粒子有很好的捕集作用?；钚蕴渴潜缺砻娣e很大的物質(zhì)，微小粒子可通過(guò)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(guò)在活性炭中添加離子來(lái)去除。
活性炭對(duì)co、no2、so2等無(wú)機(jī)化合物也具有很強(qiáng)的吸附作用。據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，so2在活性炭中能被氧化并與水結(jié)合生成h2so4，同理co、no2也能被除去。另外活性炭對(duì)臭氧也有一定的吸附效果。根據(jù)資料，活性炭對(duì)砷、鉛、汞等有害金屬離子也具有很強(qiáng)的吸附能力。
6 小結(jié)
通過(guò)以上各節(jié)的論述，我們對(duì)活性炭的發(fā)展歷史、吸附特性、吸附動(dòng)力學(xué)以及對(duì)室內(nèi)氣體的吸附和過(guò)濾作用有了一個(gè)初步的了解。總之，活性炭對(duì)室內(nèi)空氣具有良好的除異味、除菌效果，能夠有效的改善室內(nèi)空氣的品質(zhì)。使用活性炭?jī)艋諝?，可以減少通風(fēng)量，降低了空調(diào)能耗。
為了提高凈化效率，可以從活性炭過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)和吸附材料的選擇方面加以改進(jìn)，尤其是活性炭纖維，其微孔特點(diǎn)使其對(duì)低濃度有害氣體具有*的吸附量和吸附速度。
目前，活性炭過(guò)濾器的造價(jià)還比較高，這影響了它在民用空調(diào)中的應(yīng)用。如果能降低其成本，并在它對(duì)具體污染成分的去除效果上有理論突破，活性炭過(guò)濾器必將有廣闊的發(fā)展前景。
凈化設(shè)備有限公司位于浙江省紹興市上虞區(qū)道墟鎮(zhèn)，，是華東地區(qū)一家凈化設(shè)備行業(yè)中的制造商之。可按iso14644-1標(biāo)準(zhǔn)、gb50073-2001國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家gmp規(guī)范要求為微電子、生物醫(yī)藥、醫(yī)院手術(shù)室、光纖光纜、食品飲料、精密儀器、半導(dǎo)體及新材料應(yīng)用等行業(yè)提供專(zhuān)業(yè)的空氣凈化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)及技術(shù)服務(wù)。
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