多孔炭材料在室内空气污染治理中的应用研究13487.docx

多孔炭材料在室内空气污染治理中的应用研究冯秀联（华南师范范大学 化学与环环境学院 广东东 广州州 5100006）摘要：本本文介绍了了室内空气气污染的分分类和治理理现状，并概述了多多孔炭材料料在控制室室内空气污污染中的应应用及存在在的问题，并从材料料、技术和和净化装置置等方面探探讨了其发发展方向。关键词：活活性炭；活性炭纤纤维；室内空气气污染近年来，室室内空气质质量问题越越来越受到到人们的关关注，室内空气气污染控制制技术也正正成为环境境工程研究究的新热点点。作为优优良的吸附附材料，多孔炭材材料在室内内空气污染染控制中日日益得到广广泛的应用用。本文将将对多孔炭炭材料在室室内空气污污染控制中中的应用加加以综述并并探讨其发发展方向。1 室内空气污污染物的分分类及治理理现状室内空气污污染物通常常可按照污污染源的性性质和污染染物存在状状态两种方方法进行分分类12。按按照污染源源的性质可可分为物理理性污染、化化学性污染染、生物性性污染和放放射性污染染4大类。物物理性污染染是指由电电磁辐射、噪噪声、振动动以及不合合适的温度度、湿度、风风速和照明明等引起的的污染。室室内空气质质量标准(/188883-20002)规规定了湿度度、相对湿湿度、空气气流速和新新风量等44个参数。化化学性污染染是指由甲甲醛、苯系系物、氨气气和悬浮颗颗粒物等引引起的污染染。室内空空气质量标标准规定了了SO2、NO2、CO、CO2、NH3、3、苯并芘、可可吸入颗粒粒、总挥发发性有机物物等9个参参数；甲醛、苯苯、甲苯、二二甲苯也属属于挥发性性有机物，但由于其其严重危害害性，将它们单单独列出，生物性污污染是指由由细菌、真真菌、花粉粉、病毒、生生物体有机机成分等引引起的污染染，室内空气气质量标准准规定了菌菌落总数11个参数。放放射性污染染也可归为为物理性污污染，室内空气气质量标准准中只规定定了氡气这这一参数。按照污染物物存在状态态可分为悬悬浮颗粒污污染物和气气态污染物物两大类。前前者包括无无机和有机机颗粒物，微生物和和生物溶胶胶。后者包包括无机化化合物、有有机化合物物及放射性性物质。室室内空气污污染主要是是人为引起起，尤以化学学性污染最最为突出。无无论传统“燃料型”污染物还还是近来广广泛受到关关注的“室内装修修型”污染物，基本上都都属于化学学性污染，尽管其浓浓度较低，但多种污污染物共同同存在于室室内，长时间联联合作用于于人体,涉涉及面广，接触人多多，对人体健健康的影响响最为严重重。因此，目前国内内许多工作作都主要集集中在化学学性污染的的防治上，而对大部部分物理性性污染(电电磁辐射、噪噪声、振动动、以及不不舒适的温温度、风速速和照明)控制技术术的研究鲜鲜见报道。室内悬浮颗颗粒污染物物通常采用用纤维过滤滤或静电除除尘进行处处理，尤其以过过滤式净化化方法居多多。室内气气态污染物物的成分复复杂，浓度低，危害大，不宜集中中处理，已成为室室内空气污污染的重点点。研究较较多的有吸吸附法、催催化法、负负离子法、臭臭氧氧化法法、非平衡衡等离子体体法等334。这这些方法各各有优缺点点，由于吸附附法选择性性高，能分离其其他方法难难以分离的的混合物，能有效清清除浓度很很低的有害害物质，净化效率率高，设备简单单，操作方便便，因此在实实际中广泛泛应用。2多孔炭炭材料及其其在控制室室内空气污污染中的应应用2.1多多孔炭材料料的特性多孔炭是指指具有丰富富孔隙结构构的碳素材材料，各种形态态的活性炭炭是这类材材料的典型型代表。自自18世纪纪发现木炭炭具有吸附附气体的作作用以来，以活性炭炭为代表的的多孔炭材材料陆续在在许多领域域，尤其是吸吸附分离领领域得到广广泛应用。活活性炭具有有高度发达达的微孔结结构，因而具有有强大的吸吸附能力。由由于孔径分分布宽,活活性炭能吸吸附各种不不同大小的的分子,适适用于室内内污染物浓浓度低、成成分复杂的的特点。此此外，与沸石、硅硅胶、活性性氧化铝等等极性吸附附剂相比，活性炭还还具有非极极性的特点点6。因因此，活性炭被被广泛用于于吸附室内内空气中的的气态污染染物1,34,5-6。活性炭纤维维是由有机机纤维经炭炭化、活化化而制得的的新型炭材材料。与颗颗粒状活性性炭相比，活性炭纤纤维比表面面积更发达达,微孔直直径小(集集中在1左右)且丰富(微孔的体体积占总孔孔体积的990%以上上)，同时微孔孔直接开口口于纤维表表面，因而具有有吸附容量量大、吸附附效率高、吸吸附、脱附附速度快等等优点7。由于其其结构和性性能的特殊殊性，用活性炭炭纤维吸附附室内空气气污染物已已成为科研研工作者的的研究热点点89，并展现出出广阔的应应用前景。2.2多多孔炭材料料在室内空空气污染控控制中的应应用2.2.11挥发性性有机气体体的净化挥发性有机机物大多属属于非极性性或弱极性性物质，因此适于于选用非极极性吸附剂剂来进行吸吸附。活性性炭是一种种非极性的的多孔材料料，对非极性性或弱极性性的挥发性性有机物有有较强的吸吸附能力。除除此之外，由于活性性炭的孔径径范围宽，吸附容量量大，因此广泛泛用于吸附附室内空气气中的挥发发性有机化化合物。活活性炭对气气体的吸附附能力可用用“亲合系数数”和“平衡吸附附容量”来表述，颗粒活性性炭对一些些气体的亲亲合系数分分别为44：苯1.00、甲苯11.25、二二甲苯1.43、甲甲醛0.552、氯乙乙烷0.775、丙酮酮0.888、氯仿00.86、四四氯化碳11.05、正正己烷1.35、正正庚烷1.59、氨氨0.288。对一些些有机物的的平衡吸附附容量见表表19。由以上数据据可见,活活性炭材料料对许多室室内常见的的挥发性有有机气体有有良好的吸吸附性,相相对无机气气体而言,对有机气气体的吸附附性能更好好一些。而而活性炭纤纤维由于其其巨大的比比表面积和和优异的孔孔结构,对对许多有机机物的平衡衡吸附容量量优于颗粒粒活性炭。2.2.22无机气气体的净化化2.2.22.1氮氮氧化物Kaneeko 等人实验验表明,活活性炭纤维维对NO的吸附附性能良好好 ，用-eOOOH处理的的活性炭纤纤维对NOO的吸附量量高达1550mg/g。ochiidai等等人在室温温条件下用用硫酸再活活化活性炭炭纤维，用NH3使NO还原成成2，转化率在在90%以以上,在干干燥的条件件下，转化率可可达1000%。2.2.22.2氨氨和胺类化化合物活活性炭纤维维表面官能能团能与氨氨或氨基形形成氢键、离离子键等，对胺类化化合物的吸吸附量很大大。特别是是硫酸活化化后，对氨的吸吸附量(质质量分数)可由0.2%增加加到3%以以上，在室温下下能有效地地吸附氨而而且受湿度度的影响小小。2.2.22.3臭臭氧有研研究表明，活性炭纤纤维不仅能能很好地吸吸附臭氧，而且其表表面官能团团能催化臭臭氧分解。表表2列出了了臭氧入口口质量分数数为3×10-6，吸附层高高度255，气体线速速度为0.5/时，聚丙烯氰氰基活性炭炭纤维(PPAN -ACF)对对臭氧的吸吸附量。实实际应用中中，将活性炭炭纤维布包包附在复印印机机壳内内，用于处理理复印机等等设备产生生的臭氧。日日本研究者者还研制出出了供分解解低浓度臭臭氧使用的的蜂巢状活活性炭滤器器。2.2.3 香烟烟雾的的净化香香烟烟雾的的粒径大致致在0.0011范围内内,含有上上百种有害害物质，可可被吸入人人体肺部，是是室内空气气污染物重重要污染源源之一。QQlandder等用用活性炭和和载负氧化化铝的吸附附床及电子子空气净化化器来去除除香烟烟雾雾中的气态态组分。日本有关专专家的研究究表明，活活性炭纤维维对香烟烟烟雾中的有有害成分有有很高的吸吸附率，对对许多化合合物的吸附附率在900%以上，,能有效地地清除香烟烟烟雾中的的有害物质质。52.2.44微生物物的处理相对于气气态污染物物的防治而而言，对微微生物污染染的控制技技术研究较较少。事实实上，从某某种程度上上讲，许多多呼吸道传传染病都是是由于室内内空气中的的细菌或病病毒造成。因因此,在研研究气态污污染物处理理技术的同同时，也应应加强对消消除微生物物污染的技技术研究。将将活性炭吸吸附与光催催化氧化技技术结合的的方法不仅仅能有效降降解各种气气态污染物物,还能将将微生物富富集起来，通通过光催化化氧化起到到集中杀灭灭微生物的的作用。2.2.55放射性性气体氡的的处理氡氡是一种具具有放射性性的气体。活活性炭对氡氡具有较强强的吸附能能力，并已广泛泛用于环境境氡的累积积测量、探探矿等各项项科研活动动中9。国外外很早就有有学者对活活性炭的吸吸附能力以以及活性炭炭吸附床作作了相关研研究，并指出应应尽量减少少水分和其其他挥发性性有机污染染物的干扰扰11。3室内空空气污染控控制存在的的问题及其其发展方向向多孔炭材料在在室内空气气污染治理理方面的应应用已取得得了一定的的成果，并并表现出巨巨大的应用用前景，但但仍存在一一些问题。3.1非非生产性室室内环境尽尽管多孔炭早早已广泛用用于室外大大气污染和和水污染的的治理中，并并且近年来来在室内空空气污染尤尤其是室内内有机污染染物的吸附附中也开始始得到应用用，但相关关研究还很很少。目前前，虽然不不难了解到到可被吸附附的污染物物种类和一一些基本的的吸附性能能的数据,但这些数数据多来源源于如生产产性车间这这样的工业业实践中。对对于一种吸吸附剂来说说,不同的的气体浓度度有不同的的吸附性能能。由于工工业排放的的气态污染染物的浓度度比一般非非生产性室室内空间的的空气污染染物浓度高高得多，因因此将这些些数据应用用到非生产产性室内环环境时必须须谨慎。3.2竞竞争吸附在在选择一种吸吸附材料时时，必须清楚楚其对某种种特定或一一系列污染染物的吸附附性能。目目前国内大大多数关于于多孔炭材材料对室内内空气污染染物的吸附附研究主要要还停留在在吸附容量量等基本吸吸附性能方方面。关于于去除效率率、湿度对对吸附过程程的影响，不同污染染物的竞争争吸附的系系统研究尚尚未见报道道。一般认认为，水蒸气并并不干扰有有机物和其其他化合物物在活性炭炭上的吸附附过程。但但国外有研研究表明5，当空气中中的相对湿湿度超过440%时，活性炭能能吸附大量量的水蒸气气而严重降降低其对有有机分子的的吸附能力力。此外，由于实际际应用中,室内空气气污染物成成分复杂，因此竞争争吸附的研研究非常重重要。3.3活活性炭改性性技术目前普通活性性炭对室内内气体的吸吸附多属于于物理吸附附，能够吸吸附几乎所所有的气体体。但是，仅仅有物理吸吸附时，只只有极其微微小的吸附附能力,实实用价值很很小。而且且,活性炭炭是疏水性性物质，有有时缺乏对对亲水性物物质的吸附附能力；同同时物理吸吸附稳定性性很差,在在温度压力力等条件变变化时容易易脱附而造造成二次污污染。化学学吸附是利利用吸附剂剂表面与吸吸附分子之之间的化学学键力所造造成，具有有在低浓度度下的吸附附容量大、吸吸附稳定不不易脱附和和传播、可可以对室内内空气中不不同特性的的有害物质质选择吸附附净化等优优点。通过过表面化学学改性,可可变物理吸吸附为化学学吸附，增增加多孔炭炭材料的吸吸附能力或或使其具有有新的吸附附性能。因因此，积极极探索针对对处理室内内空气污染染物的活性性炭改性技技术，研究究开发出高高效的炭质质吸附剂是是室内空气气净化剂的的重要发展展方向之一一。目前国内已已有这方面面的研究8，如在活性性炭纤维上上添附脂肪肪酸类的酸酸性物质，利用酸碱碱中和反应应以提高对对氨(尿臭臭)的吸附附性能；添加氢氧氧化钠、碳碳酸钠等碱碱性物质到到活性炭纤纤维上,利利用酸碱中中和反应以以提高对HH2S、SO2、ClO 2、硫醇类类的酸性气气体的吸附附性能；将碘、溴溴或其他化化合物添附附到活性炭炭纤维上，以将硫化化氢、硫醇醇、硫醚类类物质氧化化成硫、硫硫酸或生成成其他硫化化物而积蓄蓄；在活性炭炭纤维上添添附胺及胺胺的诱导体体，以提高活活性炭纤维维对醛类的的吸附性能能；把铂簇(钯、铂、铑铑一个以上上)触媒引引入碳纤维维载体上,以过渡金金属与H2S、CH3SH、NH3、NOX、CO等形成成络合物而而去除等。3.4 活性炭的催催化由于吸附剂剂始终存在在吸附容量量有限、使使用寿命短短等问题，同时吸附附达到饱和和以后必须须再生，操作过程程必然为间间歇。而催催化具有操操作连续的的优点，成为室内内空气净化化的主要发发展方向之之一。例如如，利用MMnO2、uO和Pt组成的的催化剂可可分解臭氧氧为氧。近近年来，利利用比表面面积比活性性炭更大的的活性炭纤纤维上载附附活性化学学物质，制备出具具有去污、抗抗菌作用更更强的净化化材料，应用前景景广阔11。在各种催化化技术中,光催化氧氧化技术由由于具有反反应条件温温和、经济济等优点,同时既能能去除气态态污染物，又又能去除微微生物，有有着巨大的的应用潜能能，可望在在各种室内内场合得以以应用。由由于室内环环境中单一一污染物的的浓度很低低，低浓度下下污染物的的光催化降降解速度较较慢，并且且光催化氧氧化分解污污染物要经经过许多中中间步骤，有些中间间产物是极极其有害的的物质。为为了克服这这些不足，可可采用光催催化与吸附附组合的方方法。利用用活性炭的的吸附能力力使污染物物浓集到一一特定环境境，提高了光光催化氧化化反应速率率，吸附中中间副产物物使其进一一步被光催催化氧化，达到完全全净化。同同时，被吸吸附的污染染物在光催催化的作用用下参加氧氧化反应。因因此，有可可能通过光光催化剂与与活性炭的的结合，使活性炭炭经光催化化氧化而去去除吸附的的污染物后后得以再生生，从而延延长使用周周期。有关关活性炭与与光催化的的组合方式式以及吸附附光催化机机理尚处于于探索阶段段，但光催催化技术与与多孔炭材材料的吸附附功能结合合仍将是室室内空气污污染治理中中最具前景景的技术之之一。55将材料和设设备结合，开发和研研制有效的的室内空气气净化装置置，是减轻室室内空气污污染的一个个重要手段段。活性炭炭与活性炭炭纤维作为为吸附层在在多种空气气净化器中中已得到广广泛应用，但存在寿寿命短、更更换频繁等等问题。室室内空气净净化装置在在国外发展展较快，美国空气气净化器市市场的年增增长率在110%以上上11，我国刚刚刚起步，普及率还还很低。因因此，结合多孔孔炭材料吸吸附、催化化技术的研研究，加快开发发和研制有有效并适合合不同场合合的室内空空气净化器器具有广阔阔的市场应应用前景。参考文献：1周中中平,赵寿寿堂,朱立立等.室内内污染检测测与控制.北北京:化学学工业出版版社,20004.2/188883-20022室内空气气质量标准准.3朱天天乐.室内内空气污染染控制.北京京:化学工工业出版社社,20003.1330-1331.4尹维维东,刘来来红,乔慧慧贤,等.室内空气气污染物的的净化.环境境污染治理理技术与设设备,20004,3(22):533-555程琰琰,尹华强强,刘勇军军,裴伟征征,陈军辉辉. 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