多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用.pdf

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1、多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用 程琰 尹华强 刘勇军 裴伟征 陈军辉 四川大学建筑与环境学院成都610065 摘要 本文介绍了室内空气污染的分类和治理现状 较全面地概述了多孔碳材料在室内空气污染控制中的应用及其存在的问题并从材料技术和净化装置等方面探讨了其发展方向 关键词活性炭 活性炭纤维 室内空气污染 Application of porous carbon in indoor air pollution control Cheng YanYin Hua-qiangLiu yong-junPei wei-zhengChen jun-hui(Colle

2、ge of Architecture and Environment Sichuan UniversityChengdu 610065)Abstract In this paperthe classification and controlling status of indoor air pollution are introduced briefly and the application of porous carbon in indoor air pollution is reviewedBesides the problem of controlling indoor air pol

3、lution is analyzed and related ways to solve these problems are put forward from aspects of materialtechnology and equipment Key words activated carbon activated carbon fiber indoor air pollution 室内环境是指采用天然材料或人工材料围隔而成的小空间 是与外界大环境相对分隔而成的小环境人的一生大约有 70%90%的时间是在室内度过的室内空气质量的优劣直接影响人们的身体健康生活和工作质量尤其是近年来由于住房

4、装饰装修材料中多种化学物质进入室内环境造成室内空气质量Indoor Air QualityIAQ恶化严重影响人们的身心健康因此室内空气质量问题日益受到人们关注室内空气污染控制也正成为环境工程新的研究热点 1 室内空气污染物的分类及治理现状1 室内空气污染物的分类及治理现状1,2 室内空气污染物通常可按照污染源的性质和污染物存在状态两种方法进行分类 按照污染源的性质可分为物理性污染化学性污染生物性污染和放射性污染四大类 物理性污染是指由电磁辐射噪声振动以及不合适的温度湿度风速和照明等引起的污染室内空气质量标准GB/T18883-2002规定了湿度相对湿度空气流速和新风量等四个参数化学性污染是指由

5、甲醛苯系物氨气和悬浮颗粒物等引起的污染室内空气质量标准 1 规定了二氧化硫二氧化碳一氧化碳二氧化碳氨臭氧甲醛笨甲苯二甲苯笨并a芘可吸入颗粒总挥发性有机物等十三个参数甲醛笨甲苯二甲苯也属于挥发性有机物但由于其严重危害性单独列出生物性污染是指由细菌真菌花粉病毒生物体有机成分等引起的污染 室内空气质量标准规定了菌落总数一个参数 放射性污染也可归为物理性污染室内空气质量标准中只规定了氡气这一参数 按照污染物存在状态可分为悬浮颗粒物和气态污染物两大类 前者包括无机和有机颗粒物微生物和生物溶胶后者包括无机化合物有机化合物及放射性物质 室内空气污染主要是人为引起尤以化学性污染最为突出无论传统燃料型污染物还是

6、近来广泛受到关注的 室内装修型 污染物基本上都属于化学性污染 尽管其浓度较低但多种污染物共同存在于室内长时间联合作用于人体涉及面广接触人多对人体健康的影响最为严重因此目前国内许多工作都主要集中在化学性污染的防治上3 而对大部分物理性污染电磁辐射噪声振动以及不合适的温度风速和照明控制技术的研究鲜见报道 室内悬浮颗粒污染物通常采用纤维过滤或静电除尘进行处理 尤其以过滤式净化方法居多室内气态污染物的成分复杂浓度低危害大不宜集中处理已成为室内空气污染的重点研究较多的有吸附法催化法负离子法臭氧氧化法非平衡等离子体法等4 这些方法各有优缺点由于吸附法选择性高能分开其他方法难以分开的混合物能有效清除浓度很低

7、的有害物质净化效率高设备简单操作方便因此在实际中广泛应用 2 多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用 2.1 多孔炭材料的特性 多孔炭是由不同原材料经炭化活化制得的多孔性物质活性炭是多孔炭的典型代表之一它具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积室内污染物浓度低成分复杂且由于空气中水蒸气的存在使得许多优良的吸附剂如沸石 硅胶等极性吸附剂难以适应 因此活性炭被广泛用于吸附室内空气中气态污染物 活性炭纤维由有机纤维经炭化活化而得到是继活性炭粉末活性炭颗粒后的第三代炭材料活性碳纤维较颗粒状活性炭比表面积更发达微孔直径小(约 10A 左右)且丰富微孔的体积占总孔体积的 90以上同时直接开口于纤维表面因而具有吸附

8、容量大吸附效率高吸附脱附速度快等优点5 由于其结构和性能的特殊性用活性炭纤维吸附室内空气污染物已成为科研工作者的研究热点6-8 并表现出巨大应用前景 2 2.2 多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用 2.2.1 多孔炭材料净化挥发性有机气体 挥发性有机化合物VOCs是指在常温下饱和蒸汽压约大于 70Pa常压下沸点在 260度以内的有机化合物包括烃类氧烃类卤代烃类氮烃及硫烃类化合物是一大类重要室内空气污染物 挥发性有机物大多属于非极性或弱极性物质 因此希望选用非极性吸附剂来进行吸附 活性炭是一种非极性的多孔材料 对非极性或弱极性物质的挥发性有机物有较强的吸附能

9、力 除此之外由于活性炭的孔径范围宽吸附容量大因此广泛用于吸附室内空气中的挥发性有机化合物活性炭对气体的吸附能力可用亲合系数和平衡吸附容量来描述表 1表 2 分别列出了活性炭对各种气体的亲合系数 4和平衡吸附容量9 表 1 颗粒状活性炭对几种气体的亲合系数 苯 甲苯 二甲苯 甲醛 氨 1.0 1.25 1.43 0.52 0.28 正己烷 正庚烷 甲醇 乙醇 丙酮 1.35 1.59 0.40 0.61 0.88 氯乙烷 二硫化碳 氯仿 四氯化碳 乙醚 0.75 0.70 0.86 1.05 1.09 表 2 有机物的平衡吸附容量 吸附质 纤维状活性炭(mg/g)颗粒状活性炭(mg/g)正丁硫醇

10、 1104.8 613.0 二甲硫醚 686.6 436.6 二硫化碳 723.5 520.1 四氯化碳 763.6 540.8 三氯甲烷 581.6 357.8 苯 326 213 苯乙烯 328 219 甲苯 333 243 环乙烷 232 185 3 丙酮 319 224 甲醇 288 205 乙醇 乙醚 乙二胺 298.9 316.0 257.1 196.9 273.4 199.1 由表 1表 2 可见活性炭对有机气体的吸附性能较好而对无机气体的吸附性能则较差 2.2.22.2.2 多孔炭材料净化无机气体 无机气体 2.2.2.1 氮氧化物 金子克美10等人实验表明活性炭纤维对 NO

11、的吸附性能良好用-FeOOH 处理的活性炭纤维对 NO 的吸附量高达 150mg/g 持田等人11-12用硫酸再活化活性炭纤维在室温条件下用 NH3使 NO 还原成 N2转化率在 90%以上在干燥的条件下转化率可达 100%2.2.2.2 氨和胺类化合物 活性炭纤维表面官能团能与氨或氨基形成氢键离子键等作用力对胺类化合物的吸附量很大 特别是硫酸活化后活性炭纤维 对氨的吸附量可由 0.2%Wt%增加到 3%以上13在室温下能有效地吸附氨而且受湿度的影响小 2.2.2.3 臭氧 有研究表明活性炭纤维能有效去除臭氧表 414列出了 PAN 系活性炭纤维对臭氧的吸附量 表 4 PAN 系活性炭纤维对臭

12、氧的吸附量 比表面积m2/g 760 940 1050 1250 臭氧的饱和吸附量%209 606 1408 20.0 活性炭纤维不仅能很好地吸附臭氧 而且其表面官能团能催化氧化臭氧分解 实际应用中将活性炭纤维布包附在复印机机壳内 用于处理复印机等设备产生的臭氧 日本研究者还研制出了供分解低浓度臭氧使用的蜂巢状活性炭滤器 2.2.3 香烟烟雾 香烟烟雾的粒径大致在 0.01 至 1m 范围内含有上上百种有害物质可被吸入人体肺部是室内空气污染物重要污染源之一 4 Qlander 等15用活性炭和载负氧化铝的吸附床及电子空气净化器来去除香烟烟雾中的气态组分Mann 和 Airah16研究了用活性炭

13、吸附控制香烟烟雾中气态污染物认为在供热通风空调系统中添加活性炭吸附装置是经济可行的 据日本有关专家的研究表明活性炭纤维对香烟烟雾中的有害成分有很高的吸附率 对许多化合物的吸附率在 90%以上能够有效地清除香烟烟雾中的有害物质17 2.2.4 微生物 相对于气态污染物的防治而言对微生物污染的控制技术研究较少事实上从某种程度上讲许多呼吸道传染病都是由于室内空气中的细菌或病毒造成因此在研究气态污染物处理技术的同时 也应加强对消除微生物污染的技术研究 将活性炭吸附与光催化氧化技术结合的方法不仅能有效地降解各种气态污染物 还能将微生物富集起来 通过光催化氧化起到杀灭微生物的作用 2.2.5 放射性气体氡

14、及其子气 氡是一种具有放射性的气体 活性炭对氡具有较强的吸附能力 并已广泛用于环境氡的累积测量探矿等各项科研活动中18国外很早就有学者对活性炭的吸附能力以及活性炭吸附床作了相关研究并指出应尽量减少水分和其他挥发性有机污染物的干扰19 3 室内空气污染控制存在的问题及其发展方向 多孔炭材料在室内空气污染治理方面的应用已取得了一定的成果 并表现出巨大的应用前景但仍存在一些问题 尽管多孔碳早已广泛用于室外大气污染和水污染的治理中 并且近年来多孔炭在室内空气污染尤其是室内有机污染物的吸附中也开始得到广泛应用但相关研究还很少2021 目前 虽然不难了解到其可吸附的污染物种类和一些基本的吸附性能的数据 但

15、这些数据多来源于如生产性车间这样的工业实践 对于一种吸附剂来说 不同的气体浓度有不同的吸附性能由于工业排放的气态污染物的浓度比一般非生产性室内空间内的空气污染物浓度高的多因此当阐释分析以及将这些数据应用到非生产性室内环境时必须谨慎 在选择一种吸附材料时 必须清楚其对某种特定或一系列污染物的吸附性能 目前国内大多数关于多孔炭材料对室内空气污染物的吸附研究主要还停留在吸附容量等基本吸附性能方面关于去除效率湿度对吸附过程的影响不同污染物的竞争吸附的系统研究尚鲜见报道一般认为水蒸气并不干扰有机物和其他化合物在活性炭上的吸附过程但国外有研 5 究表明 22 当空气中的相对湿度超过 40%时活性炭能吸附大

16、量的水蒸汽而严重降低其对有机分子的吸附能力此外由于实际应用中室内空气污染物成分复杂因此竞争吸附的研究非常重要 目前普通活性炭对室内气体的吸附多属于物理吸附能够吸附几乎所有的气体但是仅有物理吸附力时 只有极其微小的吸附能力 实用价值很小 而且 活性炭是疏水性物质有时缺乏对亲水性物质的吸附能力 同时物理吸附稳定性很差 在温压等条件变化时容易脱附而造成二次污染 化学吸附是利用吸附剂表面与吸附分子之间的化学键力所造成 具有在低浓度下的吸附容量大吸附稳定不易脱附和传播可以对室内空气中不同特性的有害物质选择吸附净化等优点通过对多孔碳材料的改性变物理吸附为化学吸附研究开发针高效吸附剂是室内空气净化剂的重要方

17、向之一 已有这方面的研究7 如在活性碳纤维上添附脂肪酸类的酸性物质 利用酸碱中和反应以提高对氨(尿臭)的吸附性能添加氢氧化钠碳酸钠等碱性物质到活性碳纤维上利用酸碱中和反应以提高对硫化氢二氧化硫二氧化氯硫醇之类的酸性气体的吸附性能将碘溴或其他化合物添附到活性炭纤维上以将硫化氢硫醇硫醚类物质氧化成硫硫酸或生成其他硫化物而积蓄 在活性炭纤维上添附胺及胺的诱导体 以提高活性炭纤维对醛类的吸附性能 把铂簇触媒 钯 铂 铑一个以上 引入碳纤维载体上 以过渡金属与 H2S CH3SHNH3NOX CO 等形成络合物而去除等 由于吸附剂始终存在吸附容量有限 使用寿命短等问题 同时吸附达到饱和以后必须再生操作过

18、程必然为间歇而催化具有操作连续等优点成为最具前景的室内空气净化技术之一例如利用二氧化猛氧化铜和铂组成的催化剂可分解臭氧为氧近年来利用比表面积比活性炭更大的活性炭纤维上载附活性化学物质 制备出具有去污 抗菌作用更强的净化材料应用前景广阔1 光催化氧化技术具有反应条件温和经济等优点同时既能去除气态污染物又能去除微生物有着巨大的应用潜能可望在各种室内场合得以应用由于室内环境中单一污染物在室内空气中存在浓度很低 低浓度下污染物的光催化降解速度较慢 并且光催化氧化分解污染物要经过许多中间步骤还生成有中间产物这些中间产物有些是极其有害的物质为了克服这些不足 可采用光催化与吸附组合方法 利用活性炭的吸附能力

19、使污染物浓集到一特定环境提高了光催化氧化反应速率吸附中间副产物使其进一步被光催化氧化达到完全净化同时被吸附的污染物在光催化的作用下参加氧化反应因此有可能通过光催化剂与活性炭的结合 使活性炭经光催化氧化而去除吸附的污染物后得以再生 从而延长使用周 6 期 有关活性炭与光催化的组合方式以及吸附光催化机理尚处于探索阶段 但光催化技术与吸附技术结合仍将是室内空气污染治理中最具前景的技术之一 将材料和设备结合开发和研制有效的室内空气净化装置是减轻室内空气污染的一个重要手段 活性炭与活性炭纤维作为吸附层在多种空气净化器中已得到广泛应用 但存在寿命短更换频繁等问题室内空气净化装置在国外发展较快美国空气净化器

20、市场的年增长率在 10%以上23我国刚刚起步普及率还很低因此加快开发和研制有效的适合不同场合的室内空气净化器具有广阔的市场应用前景 参参 考考 文文 献献 1周中平,赵寿堂,朱立,等.室内污染检测与控制.北京:化学工业出版社,2002.2 GB/T18883-2002 室内空气质量标准.3朱天乐.室内空气污染控制.北京:化学工业出版社,2003.4尹维东,刘来红,乔慧贤,等.室内空气污染物的净化.环境污染治理技术与设备,2002(3):2.5吴军良,尹华强,等.活性炭纤维在环境保护中的应用及前景.环境污染治理技术与设备,2001(2):4.6张秀珍,李延平,等.活性炭纤维的吸附效果研究及在空气

21、净化方面应用.江苏预防医学,1996,3.7高强,王春梅,季涛.活性炭纤维净化室内空气的研究.产业用纺织品,2000(18):121.8罗添,曹守仁.活性炭纤维在室内空气净化方面的应用展望.环境与健康,1995(12):3.9黄迅,韩宝华,李伯骥,等.活性炭纤维在环境保护领域中的功用.离子交换与吸附,1990(6):6.10金子克美,尾关寿男,等.日本化学会志,1985(7).11持田,河野静夫,等.日本化学会志,1992(3).12持田,河野静夫,等.日本化学会志,1991(9).13Isao Mochida,Shizuo Kawano.Ind Eng.Chem.Res.,1991,30.1

22、4日立本英机,安部郁夫 编.高尚愚 译.活性炭的应用技术其维持管理及存在问题.南京:东南大学出版社,2000.15Clander L,Johansson J,Johansson R.Proceedings 4th International Conference on Indoor Air Quality and Climate,West Berlin,West Germany,2,39,1987.7 16Mann J L,Airah J.Aust.Ref.Air Cond.Heat,1987,41(8):21.17常田淳,户田妙子,等.纤维学会志,1987(2):43.18马文彦,陈桂英,等

23、.活性炭对氡吸附行为的研究.核电子学与探测技术,2002,(1):22.19Anthony L.Hines,Tushar K.Ghosh,Sudarshan K.Loyalka,et al.Indoor Air Quality and Control,PRT Prentice Hall,Englewood Cliffs,NJ07632,1993.198-201.20姜军清,黄卫红,陆效华.活性炭纤维及其应用研究进展.工业水处理,2001(6):21.21郏其庚.活性炭的应用.上海:华东理工大学出版社,2002.22Hassan N M,Ghosh T K,Hines A L,et al.Carbon,1991,29:681.23姜坪,刘梅红.空气过滤材料的发展与应用.现代纺织技术,2001(10);4.8