用活性炭改善室内空气品质的机理

简介： 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发展历史、分类、结构、性质,以及活性炭吸附室内污染物的物理和化学作用机理；同时对活性炭所去除的污染物种类也作了简要概括。
关键字：活性炭 空气品质 物理吸附 化学吸附

1 室内空气品质
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

     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。

2 活性炭的发展历史及分类
使用活性炭作为一种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。

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。

3 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。

表二 活性炭孔隙分类

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。

4 活性炭吸附和过滤机理
物质在固体表面上或微孔容积内积聚的现象叫吸附。混合物通过某种设备后，其中部分物质被去除的现象叫过滤。就室内空气来说，经过活性炭后，部分有害物质被去除，活性炭起过滤作用；而就部分有害物质来说，活性炭则起吸附作用。

吸附过程分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附单纯靠分子间的引力把吸附质吸附在吸附剂表面。物理吸附是可逆的，降低气相中吸收质分压力，提高吸附温度，吸附质会迅速解吸，而不改变其化学成分。化学吸附具有很高的选择性，一种吸附剂只对特定的物质有吸附作用。化学吸附是不可逆的，吸附后被吸附质已发生变化，改变了原来的特性。

物理吸附过程可分为以下几个步骤：（a）污染气体通过吸附边界层，污染气体的分子可能被吸附，也可能被从活性炭表面带走，这取决于该成分在载气和边界层中气体里的浓度差值，该值决定着吸附的强弱。当污染空气通过活性炭时，一些有害气体的浓度差值很大，所以被吸附下来，而空气中的固有成分由于浓度差基本为零，所以正常通过，而一些颗粒（如烟尘）由于过大，直接被留在大孔和中孔中。当有害气体的浓度差为零时，活性炭失效，需重新活化。（b）被吸附的分子向微孔扩散。（c）该分子被牢牢的绑扎在吸附剂表面。

以上三个步骤在化学反应中也必然发生。化学吸附中，吸附剂与吸附质结合比较牢固，必须在高温下才能脱附。化学吸附比物理吸附推动力更大，结合更牢固，所以对毒性很强的污染物，用化学吸附更安全。物理吸附和化学吸附的区别如下：
表三 物理吸附和化学吸附的区别

总的来说，当某一吸附质与吸附剂的表面接触时，究竟是发生物理吸附还是化学吸附，要取决于吸附剂表面的反应性、吸附质的性质、温度和其他因素。其实这两种吸附不是截然分开的，需看分子力和化学键谁是主要的。

在动态条件下，完成对蒸汽的脱除，要求活性炭不仅要有一定的吸附容量，而且还要有一定的吸附速度。如果只有大的吸附容量而无一定的吸附速度，当蒸气与其短暂接触时就来不及被吸附而穿透活性炭层，反之，若只有大的吸附速度，而无一定的吸附量，脱除量也是很小的。通常认为，活性炭脱除空气中的蒸气包括以下一个或多个阶段：

（1）外扩散。空气中的气体或蒸气向颗粒的整个表面扩散；

（2）内扩散。气体或蒸气分子向活性炭大孔内部（或沿大孔表面）的扩散；

（3）颗粒内表面对分子的吸附；

（4）被吸附的蒸气与活性炭或被吸附氧、水或浸渍剂之间的反应。

上述四个阶段中每个阶段的相对重要性，可能随着发生脱除的特殊条件而有显著的不同。担相对地受温度影响较小。在空隙内扩散的重要性由诸如颗粒大小、孔隙结构特征、系统的某种扩散性和内表面上反应速度的因素而定。接触表面的吸附速率决定于表面的本性和延伸范围，以及吸附某种所研究蒸气或气体的活化能。根据表面的特性也能测定出化学反应，因为在第（3）和第（4）阶段中会出现大量的活化能，所以这个阶段对温度非常敏感。

在通常情况下，在这几个阶段内，每阶段的扩散速率是不相同的，因此，扩散阻力大的和扩散速率慢的步骤控制总的传播速率，为此，要提高整个过程的吸附速率，就要强化该扩散控制区内扩散阻力大或扩散系数最小的过程，使该吸附设备的吸附效率提高。

5 活性炭对室内气体的吸附和过滤
活性炭能有效的吸附挥发性有机物。芳族化合物能与活性炭间形成给受复体，活性炭中的羧基氧为电子给体，芳环为电子受体。当芳族中有—NO2类取代基时，给受作用还会加强。在活性炭表面加入某些金属离子，非极性的链烷类化合物也能很好的被吸附。

活性炭能有效的消除室内的烟味。在烟的成分中，70%是吸烟时从周围吸入的空气，另外，随着燃烧生成的蒸气、CO2、CO构成烟气，约达90%。香烟雾粒子大部分是由香烟颗粒分解后形成的蒸气成分凝结而成，故通常称为液滴。另外还有一些微小颗粒。活性炭对香烟粒子有很好的捕集作用。活性炭是比表面积很大的物质，微小粒子可通过惯性作用和其他作用被阻留在活性炭的大孔或中孔中，而且其阻力随集尘增加不大。烟气中的有害气体，有的由于浓度差而被吸附，另外一些可以通过在活性炭中添加离子来去除。

活性炭对CO、NO2、SO2等无机化合物也具有很强的吸附作用。据实验证明，SO2在活性炭中能被氧化并与水结合生成H2SO4，同理CO、NO2也能被除去。另外活性炭对臭氧也有一定的吸附效果。根据资料，活性炭对砷、铅、汞等有害金属离子也具有很强的吸附能力。

6 小结
通过以上各节的论述，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。

参考文献
1 沈晋明·室内污染物与空气品质评价·暖通空调，1995，2

2 ASHARAE HANDBOOK，1991

3 Dr. Keiton. Basil J Qwen: Building related sickness (building services,1993年3月)

4 Indoor Air Quality (IAQ Overview), Burt Hill Kosar Rittelmann Associates

5 Indoor Air Pollution – An Introduction for Health Professionals, U.S. Government Printing Office Publication No.1994-523-217/81322,1994

6 叶振华·吸着分离过程基础·化学工业出版社