1 室內(nèi)空氣品質(zhì)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類在生活居室環(huán)境方面獲得了巨大的改善。空調(diào)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(nèi)空氣品質(zhì)問題，尤其是無新風(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)物過敏癥。“病態(tài)建筑綜合癥"的常見癥狀主要有頭痛、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“軍團病"、“敏性肺炎"等，有時甚至能帶來生命危險。

　　所謂室內(nèi)空氣品質(zhì)，一般是指在某個具體的環(huán)境內(nèi)，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(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，無污染的，從而引發(fā)了對室內(nèi)空氣品質(zhì)的廣泛。

　　室內(nèi)空氣基本污染物與污染源如下：

　　表一 室內(nèi)主要污染物及其來源

　　室內(nèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)度過，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：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)及機動車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)空氣的交換會帶來巨大的能耗。局部通風(fēng)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(xì)菌的功能。成功分離低濃度的氣態(tài)污染物質(zhì)和細(xì)菌對改善室內(nèi)陸空氣品質(zhì)至為重要。活性炭吸附材料對室內(nèi)氣態(tài)污染物具有的吸附性能，使活性炭過濾器逐漸應(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，謝勒科學(xué)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);*次世界大戰(zhàn)期間，為了消除化學(xué)武器的威脅，活性炭防毒面具問世，這是活性炭*次應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域;上個世紀(jì)六十年代，具有*化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)且吸附性能的新型纖維狀活性炭材料研制成功。目前對吸附材料的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(chǔ)上研制和開發(fā)的新產(chǎn)品，在日本主要以有機化合物為原料，纖維活性炭的細(xì)度僅為頭發(fā)的1/3左右。我國已有用石油瀝青作原料研制出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(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規(guī)律，這種結(jié)構(gòu)叫“螺層狀結(jié)構(gòu)"。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(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

　　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，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(jié)構(gòu)中的雜原子。活性炭中的雜原子有兩種來源：一種是以化學(xué)結(jié)合的元素形成的，如氧和氫，這些元素一般來源于原材料，在炭化時不能分解下來的，有的則是活化時，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，這些灰分主要來源于活性炭的原材料，也有少數(shù)是生產(chǎn)過程帶入的。灰分使活性炭的微晶結(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(zhì)的吸附也可產(chǎn)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(xué)鍵與碳原子結(jié)合，是活性炭結(jié)構(gòu)的有機部分。它們是活性炭的重要組分。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，因為這種碳原子不飽和，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(jié)合的氧對水蒸氣和其他性或可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：一類是在溫度低于100℃時，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，則生成氣態(tài)氧化物，從活性炭表面脫除。另一類是在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(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過活化反應(yīng)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(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，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 活性炭吸附和過濾機理

　　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。混合物通過某種設(shè)備后，其中部分物質(zhì)被去除的現(xiàn)象叫過濾。就室內(nèi)空氣來說，經(jīng)過活性炭后，部分有害物質(zhì)被去除，活性炭起過濾作用;而就部分有害物質(zhì)來說，活性炭則起吸附作用。

　　吸附過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)會迅速解吸，而不改變其化學(xué)成分。化學(xué)吸附具有很高的選擇性，一種吸附劑只對特定的物質(zhì)有吸附作用。化學(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(dāng)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(dāng)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(xué)反應(yīng)中也必然發(fā)生。化學(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。化學(xué)吸附比物理吸附推動力更大，結(jié)合更牢固，所以對毒性很強的污染物，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

　　總的來說，當(dāng)某一吸附質(zhì)與吸附劑的表面接觸時，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。其實這兩種吸附不是截然分開的，需看分子力和化學(xué)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(dāng)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(rèn)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(nèi)擴散。氣體或蒸氣分子向活性炭大孔內(nèi)部(或沿大孔表面)的擴散;

　　(3)顆粒內(nèi)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(yīng)。

　　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的不同。擔(dān)相對地受溫度影響較小。在空隙內(nèi)擴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，以及吸附某種所蒸氣或氣體的活化能。根據(jù)表面的特性也能測定出化學(xué)反應(yīng)，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(nèi)，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(qū)內(nèi)擴散阻力大或擴散系數(shù)小的過程，使該吸附設(shè)備的吸附效率提高。

　　5 活性炭對室內(nèi)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(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(nèi)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、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(zhì)，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(jù)實驗證明，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。另外活性炭對臭氧也有一定的吸附效果。根據(jù)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。

　　6 小結(jié)

　　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、吸附動力學(xué)以及對室內(nèi)氣體的吸附和過濾作用有了一個初步的了解。總之，活性炭對室內(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)。使用活性炭凈化空氣，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，其微孔特點使其對低濃度有害氣體具有高的吸附量和吸附速度。

　　目前，活性炭過濾器的造價還比較高，這影響了它在民用空調(diào)中的應(yīng)用。如果能降低其成本，并在它對具體污染成分的去除效果上有理論突破，活性炭過濾器必將有廣闊的發(fā)展前景。

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