1、多孔炭材料在室內空氣污染治理中的應用研究馮秀聯（華南師范大學 化學與環境學院 廣東 廣州 510006）摘要：本文介紹了室內空氣污染的分類和治理現狀，并概述了多孔炭材料在控制室內空氣污染中的應用及存在的問題，并從材料、技術和凈化裝置等方面探討了其發展方向。關鍵詞：活性炭；活性炭纖維；室內空氣污染近年來，室內空氣質量問題越來越受到人們的關注，室內空氣污染控制技術也正成為環境工程研究的新熱點。作為優良的吸附材料，多孔炭材料在室內空氣污染控制中日益得到廣泛的應用。本文將對多孔炭材料在室內空氣污染控制中的應用加以綜述并探討其發展方向。1 室內空氣污染物的分類及治理現狀室內空氣污染物通常可按照污染源的性

2、質和污染物存在狀態兩種方法進行分類12。按照污染源的性質可分為物理性污染、化學性污染、生物性污染和放射性污染4大類。物理性污染是指由電磁輻射、噪聲、振動以及不合適的溫度、濕度、風速和照明等引起的污染。室內空氣質量標準(/18883-2002)規定了濕度、相對濕度、空氣流速和新風量等4個參數。化學性污染是指由甲醛、苯系物、氨氣和懸浮顆粒物等引起的污染。室內空氣質量標準規定了SO2、NO2、CO、CO2、NH3、3、苯并芘、可吸入顆粒、總揮發性有機物等9個參數；甲醛、苯、甲苯、二甲苯也屬于揮發性有機物，但由于其嚴重危害性，將它們單獨列出，生物性污染是指由細菌、真菌、花粉、病毒、生物體有機成分等引起

3、的污染，室內空氣質量標準規定了菌落總數1個參數。放射性污染也可歸為物理性污染，室內空氣質量標準中只規定了氡氣這一參數。按照污染物存在狀態可分為懸浮顆粒污染物和氣態污染物兩大類。前者包括無機和有機顆粒物，微生物和生物溶膠。后者包括無機化合物、有機化合物及放射性物質。室內空氣污染主要是人為引起，尤以化學性污染最為突出。無論傳統“燃料型”污染物還是近來廣泛受到關注的“室內裝修型”污染物，基本上都屬于化學性污染，盡管其濃度較低，但多種污染物共同存在于室內，長時間聯合作用于人體,涉及面廣，接觸人多，對人體健康的影響最為嚴重。因此，目前國內許多工作都主要集中在化學性污染的防治上，而對大部分物理性污染(電磁

4、輻射、噪聲、振動、以及不舒適的溫度、風速和照明)控制技術的研究鮮見報道。室內懸浮顆粒污染物通常采用纖維過濾或靜電除塵進行處理，尤其以過濾式凈化方法居多。室內氣態污染物的成分復雜，濃度低，危害大，不宜集中處理，已成為室內空氣污染的重點。研究較多的有吸附法、催化法、負離子法、臭氧氧化法、非平衡等離子體法等34。這些方法各有優缺點，由于吸附法選擇性高，能分離其他方法難以分離的混合物，能有效清除濃度很低的有害物質，凈化效率高，設備簡單，操作方便，因此在實際中廣泛應用。2多孔炭材料及其在控制室內空氣污染中的應用2.1多孔炭材料的特性多孔炭是指具有豐富孔隙結構的碳素材料，各種形態的活性炭是這類材料的典型代

5、表。自18世紀發現木炭具有吸附氣體的作用以來，以活性炭為代表的多孔炭材料陸續在許多領域，尤其是吸附分離領域得到廣泛應用。活性炭具有高度發達的微孔結構，因而具有強大的吸附能力。由于孔徑分布寬,活性炭能吸附各種不同大小的分子,適用于室內污染物濃度低、成分復雜的特點。此外，與沸石、硅膠、活性氧化鋁等極性吸附劑相比，活性炭還具有非極性的特點6。因此，活性炭被廣泛用于吸附室內空氣中的氣態污染物1,34,5-6。活性炭纖維是由有機纖維經炭化、活化而制得的新型炭材料。與顆粒狀活性炭相比，活性炭纖維比表面積更發達,微孔直徑小(集中在1左右)且豐富(微孔的體積占總孔體積的90%以上)，同時微孔直接開口于纖維表面

6、，因而具有吸附容量大、吸附效率高、吸附、脫附速度快等優點7。由于其結構和性能的特殊性，用活性炭纖維吸附室內空氣污染物已成為科研工作者的研究熱點89，并展現出廣闊的應用前景。2.2多孔炭材料在室內空氣污染控制中的應用2.2.1揮發性有機氣體的凈化揮發性有機物大多屬于非極性或弱極性物質，因此適于選用非極性吸附劑來進行吸附。活性炭是一種非極性的多孔材料，對非極性或弱極性的揮發性有機物有較強的吸附能力。除此之外，由于活性炭的孔徑范圍寬，吸附容量大，因此廣泛用于吸附室內空氣中的揮發性有機化合物。活性炭對氣體的吸附能力可用“親合系數”和“平衡吸附容量”來表述，顆粒活性炭對一些氣體的親合系數分別為4：苯1.

7、0、甲苯1.25、二甲苯1.43、甲醛0.52、氯乙烷0.75、丙酮0.88、氯仿0.86、四氯化碳1.05、正己烷1.35、正庚烷1.59、氨0.28。對一些有機物的平衡吸附容量見表19。由以上數據可見,活性炭材料對許多室內常見的揮發性有機氣體有良好的吸附性,相對無機氣體而言,對有機氣體的吸附性能更好一些。而活性炭纖維由于其巨大的比表面積和優異的孔結構,對許多有機物的平衡吸附容量優于顆粒活性炭。2.2.2無機氣體的凈化.1氮氧化物Kaneko 等人實驗表明,活性炭纖維對NO的吸附性能良好 ，用-eOOH處理的活性炭纖維對NO的吸附量高達150mg/g。ochidai等人在室溫條件下用硫酸再活

8、化活性炭纖維，用NH3使NO還原成2，轉化率在90%以上,在干燥的條件下，轉化率可達100%。.2氨和胺類化合物活性炭纖維表面官能團能與氨或氨基形成氫鍵、離子鍵等，對胺類化合物的吸附量很大。特別是硫酸活化后，對氨的吸附量(質量分數)可由0.2%增加到3%以上，在室溫下能有效地吸附氨而且受濕度的影響小。.3臭氧有研究表明，活性炭纖維不僅能很好地吸附臭氧，而且其表面官能團能催化臭氧分解。表2列出了臭氧入口質量分數為3×10-6，吸附層高度25，氣體線速度為0.5/時，聚丙烯氰基活性炭纖維(PAN -ACF)對臭氧的吸附量。實際應用中，將活性炭纖維布包附在復印機機殼內，用于處理復印機等設備

9、產生的臭氧。日本研究者還研制出了供分解低濃度臭氧使用的蜂巢狀活性炭濾器。2.2.3 香煙煙霧的凈化香煙煙霧的粒徑大致在0.011范圍內,含有上百種有害物質，可被吸入人體肺部，是室內空氣污染物重要污染源之一。Qlander等用活性炭和載負氧化鋁的吸附床及電子空氣凈化器來去除香煙煙霧中的氣態組分。日本有關專家的研究表明，活性炭纖維對香煙煙霧中的有害成分有很高的吸附率，對許多化合物的吸附率在90%以上，,能有效地清除香煙煙霧中的有害物質。52.2.4微生物的處理相對于氣態污染物的防治而言，對微生物污染的控制技術研究較少。事實上，從某種程度上講，許多呼吸道傳染病都是由于室內空氣中的細菌或病毒造成。因此

10、,在研究氣態污染物處理技術的同時，也應加強對消除微生物污染的技術研究。將活性炭吸附與光催化氧化技術結合的方法不僅能有效降解各種氣態污染物,還能將微生物富集起來，通過光催化氧化起到集中殺滅微生物的作用。2.2.5放射性氣體氡的處理氡是一種具有放射性的氣體。活性炭對氡具有較強的吸附能力，并已廣泛用于環境氡的累積測量、探礦等各項科研活動中9。國外很早就有學者對活性炭的吸附能力以及活性炭吸附床作了相關研究，并指出應盡量減少水分和其他揮發性有機污染物的干擾11。3室內空氣污染控制存在的問題及其發展方向多孔炭材料在室內空氣污染治理方面的應用已取得了一定的成果，并表現出巨大的應用前景，但仍存在一些問題。3.

11、1非生產性室內環境盡管多孔炭早已廣泛用于室外大氣污染和水污染的治理中，并且近年來在室內空氣污染尤其是室內有機污染物的吸附中也開始得到應用，但相關研究還很少。目前，雖然不難了解到可被吸附的污染物種類和一些基本的吸附性能的數據,但這些數據多來源于如生產性車間這樣的工業實踐中。對于一種吸附劑來說,不同的氣體濃度有不同的吸附性能。由于工業排放的氣態污染物的濃度比一般非生產性室內空間的空氣污染物濃度高得多，因此將這些數據應用到非生產性室內環境時必須謹慎。3.2競爭吸附在選擇一種吸附材料時，必須清楚其對某種特定或一系列污染物的吸附性能。目前國內大多數關于多孔炭材料對室內空氣污染物的吸附研究主要還停留在吸附

12、容量等基本吸附性能方面。關于去除效率、濕度對吸附過程的影響，不同污染物的競爭吸附的系統研究尚未見報道。一般認為，水蒸氣并不干擾有機物和其他化合物在活性炭上的吸附過程。但國外有研究表明5，當空氣中的相對濕度超過40%時，活性炭能吸附大量的水蒸氣而嚴重降低其對有機分子的吸附能力。此外，由于實際應用中,室內空氣污染物成分復雜，因此競爭吸附的研究非常重要。3.3活性炭改性技術目前普通活性炭對室內氣體的吸附多屬于物理吸附，能夠吸附幾乎所有的氣體。但是，僅有物理吸附時，只有極其微小的吸附能力,實用價值很小。而且,活性炭是疏水性物質，有時缺乏對親水性物質的吸附能力；同時物理吸附穩定性很差,在溫度壓力等條件變

13、化時容易脫附而造成二次污染。化學吸附是利用吸附劑表面與吸附分子之間的化學鍵力所造成，具有在低濃度下的吸附容量大、吸附穩定不易脫附和傳播、可以對室內空氣中不同特性的有害物質選擇吸附凈化等優點。通過表面化學改性,可變物理吸附為化學吸附，增加多孔炭材料的吸附能力或使其具有新的吸附性能。因此，積極探索針對處理室內空氣污染物的活性炭改性技術，研究開發出高效的炭質吸附劑是室內空氣凈化劑的重要發展方向之一。目前國內已有這方面的研究8，如在活性炭纖維上添附脂肪酸類的酸性物質，利用酸堿中和反應以提高對氨(尿臭)的吸附性能；添加氫氧化鈉、碳酸鈉等堿性物質到活性炭纖維上,利用酸堿中和反應以提高對H2S、SO2、Cl

14、O 2、硫醇類的酸性氣體的吸附性能；將碘、溴或其他化合物添附到活性炭纖維上，以將硫化氫、硫醇、硫醚類物質氧化成硫、硫酸或生成其他硫化物而積蓄；在活性炭纖維上添附胺及胺的誘導體，以提高活性炭纖維對醛類的吸附性能；把鉑簇(鈀、鉑、銠一個以上)觸媒引入碳纖維載體上,以過渡金屬與H2S、CH3SH、NH3、NOX、CO等形成絡合物而去除等。3.4 活性炭的催化由于吸附劑始終存在吸附容量有限、使用壽命短等問題，同時吸附達到飽和以后必須再生，操作過程必然為間歇。而催化具有操作連續的優點，成為室內空氣凈化的主要發展方向之一。例如，利用MnO2、uO和Pt組成的催化劑可分解臭氧為氧。近年來，利用比表面積比活性

15、炭更大的活性炭纖維上載附活性化學物質，制備出具有去污、抗菌作用更強的凈化材料，應用前景廣闊1。在各種催化技術中,光催化氧化技術由于具有反應條件溫和、經濟等優點,同時既能去除氣態污染物，又能去除微生物，有著巨大的應用潛能，可望在各種室內場合得以應用。由于室內環境中單一污染物的濃度很低，低濃度下污染物的光催化降解速度較慢，并且光催化氧化分解污染物要經過許多中間步驟，有些中間產物是極其有害的物質。為了克服這些不足，可采用光催化與吸附組合的方法。利用活性炭的吸附能力使污染物濃集到一特定環境，提高了光催化氧化反應速率，吸附中間副產物使其進一步被光催化氧化，達到完全凈化。同時，被吸附的污染物在光催化的作用

16、下參加氧化反應。因此，有可能通過光催化劑與活性炭的結合，使活性炭經光催化氧化而去除吸附的污染物后得以再生，從而延長使用周期。有關活性炭與光催化的組合方式以及吸附光催化機理尚處于探索階段，但光催化技術與多孔炭材料的吸附功能結合仍將是室內空氣污染治理中最具前景的技術之一。5將材料和設備結合，開發和研制有效的室內空氣凈化裝置，是減輕室內空氣污染的一個重要手段。活性炭與活性炭纖維作為吸附層在多種空氣凈化器中已得到廣泛應用，但存在壽命短、更換頻繁等問題。室內空氣凈化裝置在國外發展較快，美國空氣凈化器市場的年增長率在10%以上11，我國剛剛起步，普及率還很低。因此，結合多孔炭材料吸附、催化技術的研究，加快開發和研制有效并適合不同場合的室內空氣凈化器具有廣闊的市場應用前景。參考文獻：1周中平,趙壽堂,朱立等.室內污染檢測與控制.北京:化學工業出版社,2004.2/18883-2002室內空氣質量標準.3朱天樂.室內空氣污染控制.北京:化學工業出版社,2003.130-131.4尹維東,劉來紅,喬慧賢,等.室內空氣污染物的凈化.環境污染治理技術與設備,2004,3(2):53-555程琰,尹華強,劉勇軍,裴偉征,陳軍輝. 多孔炭材料在室內空氣污染控制中的應用. 林產化學與工業.2004, 24(2):92-966郟其庚.活性炭的應用.上海:華東理工