多孔炭材料在室內(nèi)空氣污染治理中的應(yīng)用研究
近年來，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題越來越受到人們的關(guān)注，室內(nèi)空氣污染控制技術(shù)也正成為環(huán)境工程研究的新熱點(diǎn)。作為優(yōu)良的吸附材料，多孔炭材料在室內(nèi)空氣污染控制中日益得到廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì)多孔炭材料在室內(nèi)空氣污染控制中的應(yīng)用加以綜述并探討其發(fā)展方向。
1 室內(nèi)空氣污染物的分類及治理現(xiàn)狀
室內(nèi)空氣污染物通常可按照污染源的性質(zhì)和污染物存在狀態(tài)兩種方法進(jìn)行分類[1～2]。按照污染源的性質(zhì)可分為物理性污染、化學(xué)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(dòng)以及不合適的溫度、濕度、風(fēng)速和照明等引起的污染。室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(ＧＢ/Ｔ18883-2002)規(guī)定了濕度、相對(duì)濕度、空氣流速和新風(fēng)量等4個(gè)參數(shù)。化學(xué)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(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了SO2、NO2、CO、CO2、NH3、Ｏ3、苯并[α]芘、可吸入顆粒、總揮發(fā)性有機(jī)物等9個(gè)參數(shù)；甲醛、苯、甲苯、二甲苯也屬于揮發(fā)性有機(jī)物，但由于其嚴(yán)重危害性，將它們單獨(dú)列出，生物性污染是指由細(xì)菌、真菌、花粉、病毒、生物體有機(jī)成分等引起的污染，室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了菌落總數(shù)1個(gè)參數(shù)。放射性污染也可歸為物理性污染，室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了氡氣這一參數(shù)。
按照污染物存在狀態(tài)可分為懸浮顆粒污染物和氣態(tài)污染物兩大類。前者包括無機(jī)和有機(jī)顆粒物，微生物和生物溶膠。后者包括無機(jī)化合物、有機(jī)化合物及放射性物質(zhì)。室內(nèi)空氣污染主要是人為引起，尤以化學(xué)性污染最為突出。無論傳統(tǒng)“燃料型”污染物還是近來廣泛受到關(guān)注的“室內(nèi)裝修型”污染物，基本上都屬于化學(xué)性污染，盡管其濃度較低，但多種污染物共同存在于室內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)合作用于人體,涉及面廣，接觸人多，對(duì)人體健康的影響最為嚴(yán)重。因此，目前國內(nèi)許多工作都主要集中在化學(xué)性污染的防治上，而對(duì)大部分物理性污染(電磁輻射、噪聲、振動(dòng)、以及不舒適的溫度、風(fēng)速和照明)控制技術(shù)的研究鮮見報(bào)道。
室內(nèi)懸浮顆粒污染物通常采用纖維過濾或靜電除塵進(jìn)行處理，尤其以過濾式凈化方法居多。室內(nèi)氣態(tài)污染物的成分復(fù)雜，濃度低，危害大，不宜集中處理，已成為室內(nèi)空氣污染的重點(diǎn)。研究較多的有吸附法、催化法、負(fù)離子法、臭氧氧化法、非平衡等離子體法等[3～4]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(zhì)，凈化效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，因此在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。
2 多孔炭材料及其在控制室內(nèi)空氣污染中的應(yīng)用
2.1 多孔炭材料的特性
多孔炭是指具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的碳素材料，各種形態(tài)的活性炭是這類材料的典型代表。自18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)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(xù)在許多領(lǐng)域，尤其是吸附分離領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。活性炭具有高度發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，因而具有強(qiáng)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(nèi)污染物濃度低、成分復(fù)雜的特點(diǎn)。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(diǎn)[6]。因此，活性炭被廣泛用于吸附室內(nèi)空氣中的氣態(tài)污染物[1,3～4,5-6]。
活性炭纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)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(fā)達(dá),微孔直徑小(集中在1ｎｍ左右)且豐富(微孔的體積占總孔體積的90%以上)，同時(shí)微孔直接開口于纖維表面，因而具有吸附容量大、吸附效率高、吸附、脫附速度快等優(yōu)點(diǎn)[7]。由于其結(jié)構(gòu)和性能的特殊性，用活性炭纖維吸附室內(nèi)空氣污染物已成為科研工作者的研究熱點(diǎn)[8～9]，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
2.2 多孔炭材料在室內(nèi)空氣污染控制中的應(yīng)用
2.2.1 揮發(fā)性有機(jī)氣體的凈化
揮發(fā)性有機(jī)物大多屬于非極性或弱極性物質(zhì)，因此適于選用非極性吸附劑來進(jìn)行吸附。活性炭是一種非極性的多孔材料，對(duì)非極性或弱極性的揮發(fā)性有機(jī)物有較強(qiáng)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(nèi)空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物。活性炭對(duì)氣體的吸附能力可用“親合系數(shù)”和“平衡吸附容量”來表述，顆粒活性炭對(duì)一些氣體的親合系數(shù)分別為[4]：苯1.0、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(duì)一些有機(jī)物的平衡吸附容量見表1[9]。
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由以上數(shù)據(jù)可見,活性炭材料對(duì)許多室內(nèi)常見的揮發(fā)性有機(jī)氣體有良好的吸附性,相對(duì)無機(jī)氣體而言,對(duì)有機(jī)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(yōu)異的孔結(jié)構(gòu),對(duì)許多有機(jī)物的平衡吸附容量?jī)?yōu)于顆粒活性炭。
2.2.2 無機(jī)氣體的凈化
2.2.2.1 氮氧化物 Kaneko Ｋ等人實(shí)驗(yàn)表明,活性炭纖維對(duì)NO的吸附性能良好 ，用α-ＦeOOH處理的活性炭纖維對(duì)NO的吸附量高達(dá)150mg/g。
Ｍochidai等人在室溫條件下用硫酸再活化活性炭纖維，用NH3使NO還原成Ｎ2，轉(zhuǎn)化率在90%以上,在干燥的條件下，轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%。
2.2.2.2 氨和胺類化合物 活性炭纖維表面官能團(tuán)能與氨或氨基形成氫鍵、離子鍵等，對(duì)胺類化合物的吸附量很大。特別是硫酸活化后，對(duì)氨的吸附量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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。
2.2.2.3 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(tuán)能催化臭氧分解。表2列出了臭氧入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3×10-6，吸附層高度2～5ｃｍ，氣體線速度為0.5ｃｍ/ｓ時(shí)，聚丙烯氰基活性炭纖維(PAN -ACF)對(duì)臭氧的吸附量。實(shí)際應(yīng)用中，將活性炭纖維布包附在復(fù)印機(jī)機(jī)殼內(nèi)，用于處理復(fù)印機(jī)等設(shè)備產(chǎn)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0.01～1μｍ范圍內(nèi),含有上百種有害物質(zhì)，可被吸入人體肺部，是室內(nèi)空氣污染物重要污染源之一。Qlander等用活性炭和載負(fù)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(tài)組分。
日本有關(guān)專家的研究表明，活性炭纖維對(duì)香煙煙霧中的有害成分有很高的吸附率，對(duì)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(zhì)。[5]
2.2.4 微生物的處理 相對(duì)于氣態(tài)污染物的防治而言，對(duì)微生物污染的控制技術(shù)研究較少。事實(shí)上，從某種程度上講，許多呼吸道傳染病都是由于室內(nèi)空氣中的細(xì)菌或病毒造成。因此,在研究氣態(tài)污染物處理技術(shù)的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)消除微生物污染的技術(shù)研究。將活性炭吸附與光催化氧化技術(shù)結(jié)合的方法不僅能有效降解各種氣態(tài)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(duì)氡具有較強(qiáng)的吸附能力，并已廣泛用于環(huán)境氡的累積測(cè)量、探礦等各項(xiàng)科研活動(dòng)中[9]。國外很早就有學(xué)者對(duì)活性炭的吸附能力以及活性炭吸附床作了相關(guān)研究，并指出應(yīng)盡量減少水分和其他揮發(fā)性有機(jī)污染物的干擾[11]。
3 室內(nèi)空氣污染控制存在的問題及其發(fā)展方向多
孔炭材料在室內(nèi)空氣污染治理方面的應(yīng)用已取得了一定的成果，并表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，但仍存在一些問題。
3.1 非生產(chǎn)性室內(nèi)環(huán)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(nèi)空氣污染尤其是室內(nèi)有機(jī)污染物的吸附中也開始得到應(yīng)用，但相關(guān)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(shù)據(jù),但這些數(shù)據(jù)多來源于如生產(chǎn)性車間這樣的工業(yè)實(shí)踐中。對(duì)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(yè)排放的氣態(tài)污染物的濃度比一般非生產(chǎn)性室內(nèi)空間的空氣污染物濃度高得多，因此將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到非生產(chǎn)性室內(nèi)環(huán)境時(shí)必須謹(jǐn)慎。
3.2 競(jìng)爭(zhēng)吸附在
選擇一種吸附材料時(shí)，必須清楚其對(duì)某種特定或一系列污染物的吸附性能。目前國內(nèi)大多數(shù)關(guān)于多孔炭材料對(duì)室內(nèi)空氣污染物的吸附研究主要還停留在吸附容量等基本吸附性能方面。關(guān)于去除效率、濕度對(duì)吸附過程的影響，不同污染物的競(jìng)爭(zhēng)吸附的系統(tǒng)研究尚未見報(bào)道。一般認(rèn)為，水蒸氣并不干擾有機(jī)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(dāng)空氣中的相對(duì)濕度超過40%時(shí)，活性炭能吸附大量的水蒸氣而嚴(yán)重降低其對(duì)有機(jī)分子的吸附能力。此外，由于實(shí)際應(yīng)用中,室內(nèi)空氣污染物成分復(fù)雜，因此競(jìng)爭(zhēng)吸附的研究非常重要。
3.3 活性炭改性技術(shù)目
前普通活性炭對(duì)室內(nèi)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(shí)，只有極其微小的吸附能力,實(shí)用價(jià)值很小。而且,活性炭是疏水性物質(zhì)，有時(shí)缺乏對(duì)親水性物質(zhì)的吸附能力；同時(shí)物理吸附穩(wěn)定性很差,在溫度壓力等條件變化時(shí)容易脫附而造成二次污染。化學(xué)吸附是利用吸附劑表面與吸附分子之間的化學(xué)鍵力所造成，具有在低濃度下的吸附容量大、吸附穩(wěn)定不易脫附和傳播、可以對(duì)室內(nèi)空氣中不同特性的有害物質(zhì)選擇吸附凈化等優(yōu)點(diǎn)。通過表面化學(xué)改性,可變物理吸附為化學(xué)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(duì)處理室內(nèi)空氣污染物的活性炭改性技術(shù)，研究開發(fā)出高效的炭質(zhì)吸附劑是室內(nèi)空氣凈化劑的重要發(fā)展方向之一。
目前國內(nèi)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(zhì)，利用酸堿中和反應(yīng)以提高對(duì)氨(尿臭)的吸附性能；添加氫氧化鈉、碳酸鈉等堿性物質(zhì)到活性炭纖維上,利用酸堿中和反應(yīng)以提高對(duì)H2S、SO2、ClO 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(zhì)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(dǎo)體，以提高活性炭纖維對(duì)醛類的吸附性能；把鉑簇(鈀、鉑、銠一個(gè)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(luò)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(shí)吸附達(dá)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(xù)的優(yōu)點(diǎn)，成為室內(nèi)空氣凈化的主要發(fā)展方向之一。例如，利用MnO2、ＣuO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炭更大的活性炭纖維上載附活性化學(xué)物質(zhì)，制備出具有去污、抗菌作用更強(qiáng)的凈化材料，應(yīng)用前景廣闊[1]。
在各種催化技術(shù)中,光催化氧化技術(shù)由于具有反應(yīng)條件溫和、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)既能去除氣態(tài)污染物，又能去除微生物，有著巨大的應(yīng)用潛能，可望在各種室內(nèi)場(chǎng)合得以應(yīng)用。由于室內(nèi)環(huán)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(jīng)過許多中間步驟，有些中間產(chǎn)物是極其有害的物質(zhì)。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(huán)境，提高了光催化氧化反應(yīng)速率，吸附中間副產(chǎn)物使其進(jìn)一步被光催化氧化，達(dá)到完全凈化。同時(shí)，被吸附的污染物在光催化的作用下參加氧化反應(yīng)。因此，有可能通過光催化劑與活性炭的結(jié)合，使活性炭經(jīng)光催化氧化而去除吸附的污染物后得以再生，從而延長(zhǎng)使用周期。有關(guān)活性炭與光催化的組合方式以及吸附光催化機(jī)理尚處于探索階段，但光催化技術(shù)與多孔炭材料的吸附功能結(jié)合仍將是室內(nèi)空氣污染治理中最具前景的技術(shù)之一。[5]
將材料和設(shè)備結(jié)合，開發(fā)和研制有效的室內(nèi)空氣凈化裝置，是減輕室內(nèi)空氣污染的一個(gè)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(yīng)用，但存在壽命短、更換頻繁等問題。室內(nèi)空氣凈化裝置在國外發(fā)展較快，美國空氣凈化器市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率在10%以上[11]，我國剛剛起步，普及率還很低。因此，結(jié)合多孔炭材料吸附、催化技術(shù)的研究，加快開發(fā)和研制有效并適合不同場(chǎng)合的室內(nèi)空氣凈化器具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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