多孔炭材料在室内空气污染治理中的应用研究13065.docx

多孔炭材料在室内空气污染治理中的应用研究冯秀联（华南师范大学 化学与环境学院 广东 广州 510006）摘要：本本文介绍绍了室内内空气污污染的分分类和治治理现状状，并概述了了多孔炭炭材料在在控制室室内空气气污染中中的应用用及存在在的问题题，并从材材料、技技术和净净化装置置等方面面探讨了了其发展展方向。关键词：活活性炭；活性炭炭纤维；室内空空气污染染近年来，室室内空气气质量问问题越来来越受到到人们的的关注，室内空空气污染染控制技技术也正正成为环环境工程程研究的的新热点点。作为为优良的的吸附材材料，多孔炭炭材料在在室内空空气污染染控制中中日益得得到广泛泛的应用用。本文文将对多多孔炭材材料在室室内空气气污染控控制中的的应用加加以综述述并探讨讨其发展展方向。1 室内空气污污染物的的分类及及治理现现状室内空气污污染物通通常可按按照污染染源的性性质和污污染物存存在状态态两种方方法进行行分类122。按按照污染染源的性性质可分分为物理理性污染染、化学学性污染染、生物物性污染染和放射射性污染染4大类类。物理理性污染染是指由由电磁辐辐射、噪噪声、振振动以及及不合适适的温度度、湿度度、风速速和照明明等引起起的污染染。室内内空气质质量标准准(/1188883-220022)规定定了湿度度、相对对湿度、空空气流速速和新风风量等44个参数数。化学学性污染染是指由由甲醛、苯苯系物、氨氨气和悬悬浮颗粒粒物等引引起的污污染。室室内空气气质量标标准规定定了SOO2、NO2、CO、CO2、NH3、3、苯并并芘、可可吸入颗颗粒、总总挥发性性有机物物等9个个参数；甲醛、苯苯、甲苯苯、二甲甲苯也属属于挥发发性有机机物，但由于于其严重重危害性性，将它们们单独列列出，生物性性污染是是指由细细菌、真真菌、花花粉、病病毒、生生物体有有机成分分等引起起的污染染，室内空空气质量量标准规规定了菌菌落总数数1个参参数。放放射性污污染也可可归为物物理性污污染，室内空空气质量量标准中中只规定定了氡气气这一参参数。按照污染物物存在状状态可分分为悬浮浮颗粒污污染物和和气态污污染物两两大类。前前者包括括无机和和有机颗颗粒物，微生物物和生物物溶胶。后后者包括括无机化化合物、有有机化合合物及放放射性物物质。室室内空气气污染主主要是人人为引起起，尤以化化学性污污染最为为突出。无无论传统统“燃料型型”污染物物还是近近来广泛泛受到关关注的“室内装装修型”污染物物，基本上上都属于于化学性性污染，尽管其其浓度较较低，但多种种污染物物共同存存在于室室内，长时间间联合作作用于人人体,涉涉及面广广，接触人人多，对人体体健康的的影响最最为严重重。因此此，目前国国内许多多工作都都主要集集中在化化学性污污染的防防治上，而对大大部分物物理性污污染(电电磁辐射射、噪声声、振动动、以及及不舒适适的温度度、风速速和照明明)控制制技术的的研究鲜鲜见报道道。室内悬浮颗颗粒污染染物通常常采用纤纤维过滤滤或静电电除尘进进行处理理，尤其以以过滤式式净化方方法居多多。室内内气态污污染物的的成分复复杂，浓度低低，危害大大，不宜集集中处理理，已成为为室内空空气污染染的重点点。研究究较多的的有吸附附法、催催化法、负负离子法法、臭氧氧氧化法法、非平平衡等离离子体法法等334。这些些方法各各有优缺缺点，由于吸吸附法选选择性高高，能分离离其他方方法难以以分离的的混合物物，能有效效清除浓浓度很低低的有害害物质，净化效效率高，设备简简单，操作方方便，因此在在实际中中广泛应应用。2多孔炭炭材料及及其在控控制室内内空气污污染中的的应用2.1多多孔炭材材料的特特性多孔炭是指指具有丰丰富孔隙隙结构的的碳素材材料，各种形形态的活活性炭是是这类材材料的典典型代表表。自118世纪纪发现木木炭具有有吸附气气体的作作用以来来，以活性性炭为代代表的多多孔炭材材料陆续续在许多多领域，尤其是是吸附分分离领域域得到广广泛应用用。活性性炭具有有高度发发达的微微孔结构构，因而具具有强大大的吸附附能力。由由于孔径径分布宽宽,活性性炭能吸吸附各种种不同大大小的分分子,适适用于室室内污染染物浓度度低、成成分复杂杂的特点点。此外外，与沸石石、硅胶胶、活性性氧化铝铝等极性性吸附剂剂相比，活性炭炭还具有有非极性性的特点点6。因此此，活性炭炭被广泛泛用于吸吸附室内内空气中中的气态态污染物物1,344,5-6。活性炭纤维维是由有有机纤维维经炭化化、活化化而制得得的新型型炭材料料。与颗颗粒状活活性炭相相比，活性炭炭纤维比比表面积积更发达达,微孔孔直径小小(集中中在1左右右)且丰丰富(微微孔的体体积占总总孔体积积的900%以上上)，同时微微孔直接接开口于于纤维表表面，因而具具有吸附附容量大大、吸附附效率高高、吸附附、脱附附速度快快等优点点7。由于于其结构构和性能能的特殊殊性，用活性性炭纤维维吸附室室内空气气污染物物已成为为科研工工作者的的研究热热点89，并展现现出广阔阔的应用用前景。2.2多多孔炭材材料在室室内空气气污染控控制中的的应用2.2.11挥发发性有机机气体的的净化挥发性有机机物大多多属于非非极性或或弱极性性物质，因此适适于选用用非极性性吸附剂剂来进行行吸附。活活性炭是是一种非非极性的的多孔材材料，对非极极性或弱弱极性的的挥发性性有机物物有较强强的吸附附能力。除除此之外外，由于活活性炭的的孔径范范围宽，吸附容容量大，因此广广泛用于于吸附室室内空气气中的挥挥发性有有机化合合物。活活性炭对对气体的的吸附能能力可用用“亲合系系数”和“平衡吸吸附容量量”来表述述，颗粒活活性炭对对一些气气体的亲亲合系数数分别为为4：苯1.0、甲甲苯1.25、二二甲苯11.433、甲醛醛0.552、氯氯乙烷00.755、丙酮酮0.888、氯氯仿0.86、四四氯化碳碳1.005、正正己烷11.355、正庚庚烷1.59、氨氨0.228。对对一些有有机物的的平衡吸吸附容量量见表119。由以上数据据可见,活性炭炭材料对对许多室室内常见见的挥发发性有机机气体有有良好的的吸附性性,相对对无机气气体而言言,对有有机气体体的吸附附性能更更好一些些。而活活性炭纤纤维由于于其巨大大的比表表面积和和优异的的孔结构构,对许许多有机机物的平平衡吸附附容量优优于颗粒粒活性炭炭。2.2.22无机机气体的的净化2.2.22.1氮氧化化物KKaneeko 等人实实验表明明,活性性炭纤维维对NOO的吸附附性能良良好 ，用-eOOOH处处理的活活性炭纤纤维对NNO的吸吸附量高高达1550mgg/g。ochiidaii等人在在室温条条件下用用硫酸再再活化活活性炭纤纤维，用NH3使NO还原原成22，转化率率在900%以上上,在干干燥的条条件下，转化率率可达1100%。2.2.22.2氨和胺胺类化合合物活活性炭纤纤维表面面官能团团能与氨氨或氨基基形成氢氢键、离离子键等等，对胺类类化合物物的吸附附量很大大。特别别是硫酸酸活化后后，对氨的的吸附量量(质量量分数)可由00.2%增加到到3%以以上，在室温温下能有有效地吸吸附氨而而且受湿湿度的影影响小。2.2.22.3臭氧有研究究表明，活性炭炭纤维不不仅能很很好地吸吸附臭氧氧，而且其其表面官官能团能能催化臭臭氧分解解。表22列出了了臭氧入入口质量量分数为为3×10-66，吸附层层高度225，气体线线速度为为0.55/时，聚丙烯烯氰基活活性炭纤纤维(PPAN -ACFF)对臭臭氧的吸吸附量。实实际应用用中，将活性性炭纤维维布包附附在复印印机机壳壳内，用于处处理复印印机等设设备产生生的臭氧氧。日本本研究者者还研制制出了供供分解低低浓度臭臭氧使用用的蜂巢巢状活性性炭滤器器。2.2.3 香烟烟雾的的净化香烟烟烟雾的粒粒径大致致在0.011范围围内,含含有上百百种有害害物质，可可被吸入入人体肺肺部，是是室内空空气污染染物重要要污染源源之一。QQlannderr等用活活性炭和和载负氧氧化铝的的吸附床床及电子子空气净净化器来来去除香香烟烟雾雾中的气气态组分分。日本有关专专家的研研究表明明，活性性炭纤维维对香烟烟烟雾中中的有害害成分有有很高的的吸附率率，对许许多化合合物的吸吸附率在在90%以上，,能有效效地清除除香烟烟烟雾中的的有害物物质。52.2.44微生生物的处处理相相对于气气态污染染物的防防治而言言，对微微生物污污染的控控制技术术研究较较少。事事实上，从从某种程程度上讲讲，许多多呼吸道道传染病病都是由由于室内内空气中中的细菌菌或病毒毒造成。因因此,在在研究气气态污染染物处理理技术的的同时，也也应加强强对消除除微生物物污染的的技术研研究。将将活性炭炭吸附与与光催化化氧化技技术结合合的方法法不仅能能有效降降解各种种气态污污染物,还能将将微生物物富集起起来，通通过光催催化氧化化起到集集中杀灭灭微生物物的作用用。2.2.55放射射性气体体氡的处处理氡氡是一种种具有放放射性的的气体。活活性炭对对氡具有有较强的的吸附能能力，并已广广泛用于于环境氡氡的累积积测量、探探矿等各各项科研研活动中中9。国国外很早早就有学学者对活活性炭的的吸附能能力以及及活性炭炭吸附床床作了相相关研究究，并指出出应尽量量减少水水分和其其他挥发发性有机机污染物物的干扰扰11。3室内空空气污染染控制存存在的问问题及其其发展方方向多孔炭材料在在室内空空气污染染治理方方面的应应用已取取得了一一定的成成果，并并表现出出巨大的的应用前前景，但但仍存在在一些问问题。3.1非非生产性性室内环环境尽管多孔炭早早已广泛泛用于室室外大气气污染和和水污染染的治理理中，并并且近年年来在室室内空气气污染尤尤其是室室内有机机污染物物的吸附附中也开开始得到到应用，但但相关研研究还很很少。目目前，虽虽然不难难了解到到可被吸吸附的污污染物种种类和一一些基本本的吸附附性能的的数据,但这些些数据多多来源于于如生产产性车间间这样的的工业实实践中。对对于一种种吸附剂剂来说,不同的的气体浓浓度有不不同的吸吸附性能能。由于于工业排排放的气气态污染染物的浓浓度比一一般非生生产性室室内空间间的空气气污染物物浓度高高得多，因因此将这这些数据据应用到到非生产产性室内内环境时时必须谨谨慎。3.2竞竞争吸附附在选择一种吸吸附材料料时，必须清清楚其对对某种特特定或一一系列污污染物的的吸附性性能。目目前国内内大多数数关于多多孔炭材材料对室室内空气气污染物物的吸附附研究主主要还停停留在吸吸附容量量等基本本吸附性性能方面面。关于于去除效效率、湿湿度对吸吸附过程程的影响响，不同污污染物的的竞争吸吸附的系系统研究究尚未见见报道。一一般认为为，水蒸气气并不干干扰有机机物和其其他化合合物在活活性炭上上的吸附附过程。但但国外有有研究表表明55，当空气气中的相相对湿度度超过440%时时，活性炭炭能吸附附大量的的水蒸气气而严重重降低其其对有机机分子的的吸附能能力。此此外，由于实实际应用用中,室室内空气气污染物物成分复复杂，因此竞竞争吸附附的研究究非常重重要。3.3活活性炭改改性技术术目前普通活性性炭对室室内气体体的吸附附多属于于物理吸吸附，能能够吸附附几乎所所有的气气体。但但是，仅仅有物理理吸附时时，只有有极其微微小的吸吸附能力力,实用用价值很很小。而而且,活活性炭是是疏水性性物质，有有时缺乏乏对亲水水性物质质的吸附附能力；同时物物理吸附附稳定性性很差,在温度度压力等等条件变变化时容容易脱附附而造成成二次污污染。化化学吸附附是利用用吸附剂剂表面与与吸附分分子之间间的化学学键力所所造成，具具有在低低浓度下下的吸附附容量大大、吸附附稳定不不易脱附附和传播播、可以以对室内内空气中中不同特特性的有有害物质质选择吸吸附净化化等优点点。通过过表面化化学改性性,可变变物理吸吸附为化化学吸附附，增加加多孔炭炭材料的的吸附能能力或使使其具有有新的吸吸附性能能。因此此，积极极探索针针对处理理室内空空气污染染物的活活性炭改改性技术术，研究究开发出出高效的的炭质吸吸附剂是是室内空空气净化化剂的重重要发展展方向之之一。目前国内已已有这方方面的研研究8，如在活活性炭纤纤维上添添附脂肪肪酸类的的酸性物物质，利用酸酸碱中和和反应以以提高对对氨(尿尿臭)的的吸附性性能；添加氢氢氧化钠钠、碳酸酸钠等碱碱性物质质到活性性炭纤维维上,利利用酸碱碱中和反反应以提提高对HH2S、SO2、ClOO 2、硫醇醇类的酸酸性气体体的吸附附性能；将碘、溴溴或其他他化合物物添附到到活性炭炭纤维上上，以将硫硫化氢、硫硫醇、硫硫醚类物物质氧化化成硫、硫硫酸或生生成其他他硫化物物而积蓄蓄；在活性性炭纤维维上添附附胺及胺胺的诱导导体，以提高高活性炭炭纤维对对醛类的的吸附性性能；把铂簇簇(钯、铂铂、铑一一个以上上)触媒媒引入碳碳纤维载载体上,以过渡渡金属与与H2S、CH3SH、NH3、NOX、CO等形形成络合合物而去去除等。3.4 活性炭的催催化由于吸附剂剂始终存存在吸附附容量有有限、使使用寿命命短等问问题，同时吸吸附达到到饱和以以后必须须再生，操作过过程必然然为间歇歇。而催催化具有有操作连连续的优优点，成为室室内空气气净化的的主要发发展方向向之一。例例如，利利用MnnO2、uOO和Pt组成成的催化化剂可分分解臭氧氧为氧。近近年来，利利用比表表面积比比活性炭炭更大的的活性炭炭纤维上上载附活活性化学学物质，制备出出具有去去污、抗抗菌作用用更强的的净化材材料，应用前前景广阔阔1。在各种催化化技术中中,光催催化氧化化技术由由于具有有反应条条件温和和、经济济等优点点,同时时既能去去除气态态污染物物，又能能去除微微生物，有有着巨大大的应用用潜能，可可望在各各种室内内场合得得以应用用。由于于室内环环境中单单一污染染物的浓浓度很低低，低浓度度下污染染物的光光催化降降解速度度较慢，并并且光催催化氧化化分解污污染物要要经过许许多中间间步骤，有些中中间产物物是极其其有害的的物质。为为了克服服这些不不足，可可采用光光催化与与吸附组组合的方方法。利利用活性性炭的吸吸附能力力使污染染物浓集集到一特特定环境境，提高了了光催化化氧化反反应速率率，吸附附中间副副产物使使其进一一步被光光催化氧氧化，达到完完全净化化。同时时，被吸吸附的污污染物在在光催化化的作用用下参加加氧化反反应。因因此，有有可能通通过光催催化剂与与活性炭炭的结合合，使活性性炭经光光催化氧氧化而去去除吸附附的污染染物后得得以再生生，从而而延长使使用周期期。有关关活性炭炭与光催催化的组组合方式式以及吸吸附光催催化机理理尚处于于探索阶阶段，但但光催化化技术与与多孔炭炭材料的的吸附功功能结合合仍将是是室内空空气污染染治理中中最具前前景的技技术之一一。55将材料和设设备结合合，开发和和研制有有效的室室内空气气净化装装置，是减轻轻室内空空气污染染的一个个重要手手段。活活性炭与与活性炭炭纤维作作为吸附附层在多多种空气气净化器器中已得得到广泛泛应用，但存在在寿命短短、更换换频繁等等问题。室室内空气气净化装装置在国国外发展展较快，美国空空气净化化器市场场的年增增长率在在10%以上11，我国刚刚刚起步步，普及率率还很低低。因此此，结合多多孔炭材材料吸附附、催化化技术的的研究，加快开开发和研研制有效效并适合合不同场场合的室室内空气气净化器器具有广广阔的市市场应用用前景。参考文献：1周中中平,赵赵寿堂,朱立等等.室内内污染检检测与控控制.北北京:化化学工业业出版社社,20004.2/1188883-220022室内空空气质量量标准.3朱天天乐.室室内空气气污染控控制.北北京:化化学工业业出版社社,20003.1300-1331.4尹维维东,刘刘来红,乔慧贤贤,等.室内空空气污染染物的净净化.环环境污染染治理技技术与设设备,220044,3(2):53-555程琰琰,尹华华强,刘刘勇军,裴伟征征,陈军军辉. 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