活性炭除醛技術(shù)的研究進(jìn)展

張祥愛，杜文琴

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活性炭除醛技術(shù)的研究進(jìn)展

張祥愛，杜文琴

（五邑大學(xué) 廣東省高校功能性紡織品工程技術(shù)研究中心，廣東 江門 529020）

甲醛是室內(nèi)空氣主要污染物之一，是致癌和致畸物質(zhì)，是公認(rèn)的變態(tài)反應(yīng)源，也是潛在的強(qiáng)致突變物之一，活性炭吸附作為一種簡(jiǎn)單有效的方法廣泛應(yīng)用于室內(nèi)除醛. 本文主要綜述了活性炭除醛的影響因素以及活性炭除醛新技術(shù)，并展望了活性炭新除醛技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景.

室內(nèi)污染物；活性炭；除醛技術(shù)

在最近的幾十年里，由于人們?cè)絹碓蕉嗟厥褂煤铣山ㄖ牧虾腿嗽彀宀募揖?，?dǎo)致室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度超標(biāo)，并嚴(yán)重危害到居民的身心健康. 作為室內(nèi)主要污染源的甲醛，即使?jié)舛群艿?，也可能引發(fā)鼻炎、咽炎、肺氣腫、肺癌等疾病，甚至導(dǎo)致死亡，因此有必要采取有效措施消除甲醛[1]. 活性炭具有較大的比表面積和較豐富的微孔結(jié)構(gòu)，被廣泛用于室內(nèi)除醛. 隨著各種除醛理論研究的不斷深入，除醛方法日益增多，如將活性炭進(jìn)行改性或與其他除醛技術(shù)聯(lián)用的新除醛技術(shù)等. 然而關(guān)于此類研究暫未見比較全面的介紹，本文綜述了相關(guān)文獻(xiàn)，主要介紹了活性炭除醛的原理、影響因素以及活性炭除醛新技術(shù)，并展望了活性炭除醛新技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景.

1 活性炭除醛的原理及影響因素

表1 甲醛暴露與健康效應(yīng)的劑量反應(yīng)關(guān)系

表1 甲醛暴露與健康效應(yīng)的劑量反應(yīng)關(guān)系

甲醛濃度/（）人體反應(yīng)甲醛濃度/（）人體反應(yīng) 0.00～0.05無刺激和不適0.1～25上呼吸道刺激反應(yīng) 0.05～1.00臭閾值5.0～30呼吸系統(tǒng)和肺部刺激反應(yīng) 0.05～1.50神經(jīng)生理學(xué)影響50～100肺部水腫及肺癌 0.01～2.00眼睛刺激反應(yīng)>100死亡

1.1 活性炭除醛原理

活性炭是以果殼、木屑、褐煤等含碳物質(zhì)為原料經(jīng)過碳化和活化而制得的，具有多孔、比表面積大的特性，一般有顆粒狀和粉狀兩種形態(tài)：顆粒狀的粒徑一般為，粉末狀的粒徑一般為. 活性炭吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附兩種吸附方式. 物理吸附是活性炭通過較弱的范德華力將污染物分子吸附到其表面，因此也稱范德華吸附，這是一種可逆的吸附過程，被吸附的污染物的化學(xué)性質(zhì)保持不變. 化學(xué)吸附是因?yàn)榛钚蕴勘砻婢哂幸恍┗瘜W(xué)基團(tuán)，能與污染物分子之間進(jìn)行電子的共享或交換而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這是不可逆的吸附過程.

吸附法除醛是比較簡(jiǎn)單且有效的除醛方法，活性炭由于存在較發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，很早就被應(yīng)用于除醛. 活性炭除醛主要是以物理吸附為主，即依靠其較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，最大程度地接觸周圍空氣，被動(dòng)吸附甲醛分子到自己的孔隙里面. 活性炭物理吸附甲醛的過程包括3步：1）外擴(kuò)散，即空氣中的甲醛分子以對(duì)流擴(kuò)散的形式傳遞到活性炭的外表面；2）內(nèi)擴(kuò)散，即甲醛分子從活性炭的外表面進(jìn)入其微孔內(nèi)，然后擴(kuò)散到活性炭的內(nèi)表面；3）表面吸附過程，即甲醛分子在活性炭?jī)?nèi)表面上被吸附. 實(shí)際上，在物理吸附的同時(shí)，也會(huì)因活性炭表面含有的某些含氧基團(tuán)而對(duì)甲醛產(chǎn)生化學(xué)吸附，如酚類會(huì)與甲醛分子縮合得到亞甲基化合物.

活性炭的除醛效果一般用吸附能力和吸附速率來描述，其吸附效果由極限吸附量和吸附速率決定. 極限吸附量反映了活性炭吸附甲醛的能力的大小. 活性炭吸附甲醛的過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)被吸附的甲醛分子的數(shù)量與逸出的甲醛分子數(shù)量相等時(shí)，吸附達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡. 吸附平衡后的吸附量即為活性炭對(duì)甲醛極限吸附量. 吸附速率為單位時(shí)間內(nèi)、單位重量活性炭能吸附的甲醛質(zhì)量，吸附過程中的傳質(zhì)速率與氣、固兩相的物質(zhì)性質(zhì)以及甲醛在氣相中的濃度有關(guān).

1.2 影響活性炭除醛的因素

研究發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、粒徑、孔結(jié)構(gòu)及表面官能團(tuán)等因素都會(huì)影響活性炭的除醛效果.

不同材質(zhì)的活性炭，因其結(jié)構(gòu)不同除醛效果也有一定的差異，對(duì)甲醛的吸附性能次序?yàn)椋阂瑲?果殼>煤質(zhì)>木質(zhì)；李曉強(qiáng)等[3]通過掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，椰殼活性炭微孔豐富，是吸附甲醛較為理想的炭型.

生產(chǎn)工藝對(duì)不同材質(zhì)活性炭的除醛效果有一定的影響. 林莉莉[4]研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)工藝對(duì)煤質(zhì)炭的除醛效果有較大的影響，如采用柱狀生產(chǎn)工藝的煤質(zhì)炭除醛效果最好，而生產(chǎn)工藝對(duì)椰殼炭、木質(zhì)炭的除醛效果沒有太大影響. 另外，生產(chǎn)工藝中所使用的活化劑、活化溫度對(duì)活性炭除醛的效果也有影響[5].

活性炭顆粒的大小會(huì)影響氣體的擴(kuò)散速率和接觸面積，對(duì)其吸附性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響. 活性炭越小，其吸附性能越好. 但其粒徑并非越小越好，相關(guān)研究表明，20～40目是活性炭吸附甲醛的最佳粒徑[6].

活性炭對(duì)甲醛氣體的吸附性能與其比表面積和孔結(jié)構(gòu)有關(guān). 湯進(jìn)華等[7]研究不同比表面積和孔結(jié)構(gòu)的活性炭對(duì)甲醛的吸附性能發(fā)現(xiàn)，起吸附作用的主要是微孔，中孔能加快吸附速率.

活性炭表面的官能團(tuán)也會(huì)對(duì)其除醛效果產(chǎn)生一定的影響，例如表面含有氨基官能團(tuán)的活性炭除醛效果會(huì)優(yōu)于單純的活性炭[7].

2 活性炭除醛新技術(shù)

2.1 活性炭改性

粒徑、孔結(jié)構(gòu)及表面官能團(tuán)等都會(huì)影響活性炭的除醛效果，因此可通過改性來改善其除醛效果. 能有效增強(qiáng)活性炭除醛效果的改性方法主要有以下幾種：

1）表面物理結(jié)構(gòu)的改性. 活性炭最容易吸附比其孔隙直徑大3～4倍的分子，且比表面積也會(huì)影響其吸附性能，因此對(duì)活性炭表面進(jìn)行物理改性，調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大比表面積可增強(qiáng)其對(duì)氣相甲醛的吸附效果[8].

2）表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的改性. 主要是通過引入或消去某些表面官能團(tuán)以改變活性炭表面的酸堿性，從而使其具有特定的吸附或催化性能. 如，HNO3/H2SO4處理活性炭可以使其表面氨基化，通過表面氨基與甲醛發(fā)生反應(yīng)可提高吸附甲醛的效果；隨著溫度的升高，氨基與甲醛反應(yīng)的速度加快，除醛效果更好. 王彬等[9]采用硝酸氧化活性炭并探討了其吸附甲醛的行為，發(fā)現(xiàn)經(jīng)硝酸表面改性后，活性炭的孔結(jié)構(gòu)、孔表面化學(xué)性質(zhì)都發(fā)生了改變，有利于其吸附甲醛氣體[10]. 孫康等[11]以苯胺為氮源，在活性炭表面原位聚合、炭化制備了摻氮活性炭，探討了苯胺添加量對(duì)甲醛平衡吸附量的影響，結(jié)果表明，摻氮活性炭孔隙周圍的電子云密度增大，有利于對(duì)氣相甲醛的吸附. LI J等[12]采用注入有機(jī)硅烷/甲醇溶液的方法對(duì)活性炭進(jìn)行改性，并研究了相對(duì)濕度對(duì)其吸附甲醛性能的影響，結(jié)果表明，由于有機(jī)硅烷能增強(qiáng)甲醛分子與活性炭表面的相互作用，經(jīng)改性后的活性炭的吸附作用明顯優(yōu)于未改性的；但是相對(duì)濕度增大，由于水分子與甲醛分子的競(jìng)爭(zhēng)，活性炭對(duì)甲醛的吸附能力降低.

3）負(fù)載金屬改性. 黃海保等[13]采用硼氫化鈉液相還原法將納米鉑負(fù)載到活性炭表面，探討了不同載鉑量對(duì)甲醛去除率的影響，結(jié)果表明，載鉑量為0.5%時(shí)，后甲醛去除率高達(dá)98.2%. 吳佳雯以活性炭為載體，用不同濃度的高錳酸鉀溶液和硝酸銀溶液分別制備載氧化錳活性炭和載納米銀活性炭，結(jié)果表明，二者對(duì)甲醛的吸附效果均比活性炭高，內(nèi)吸附率均在90%以上，其中載氧化錳活性炭在短時(shí)間內(nèi)吸附效率略高于載納米銀活性炭. Shin等[14]發(fā)現(xiàn)納米銀顆粒為時(shí)，載銀活性炭的除醛效果最佳.

2.2 活性炭與化學(xué)催化聯(lián)用

單一的光催化除醛一般采用廉價(jià)無毒、耐紫外光腐蝕、無二次污染的、、等金屬氧化物，但該技術(shù)僅能在紫外光下使用，有一定的局限性. 將光催化與活性炭聯(lián)用除醛既能利用二者的優(yōu)點(diǎn)，又能規(guī)避各自的缺點(diǎn)，是目前使用較多的聯(lián)合除醛手段.

Shiraishi F等[15]研制了一種新型的空氣凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光催化反應(yīng)器和具有吸附-解吸功能的裝置組成. 光催化反應(yīng)器是9個(gè)熒光燈排成方陣的小盒子，吸附-解吸裝置則由蜂巢狀的載有活性炭的羅拉組成. 測(cè)試結(jié)果表明，這是迄今為止研制的能在內(nèi)把空氣中甲醛濃度降至WHO規(guī)定濃度以下，且在后能將空氣中甲醛濃度降為0的空氣甲醛凈化系統(tǒng). 這種高效的凈化性能歸功于活性炭羅拉對(duì)空氣中甲醛的快速吸附以及光催化反應(yīng)器對(duì)解吸出來的甲醛的催化降解.

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者多致力于活性炭與化學(xué)催化聯(lián)用除醛技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究. 如，柳思明等[16]研究了納米TiO2/活性炭復(fù)合催化降解甲醛的特性. 結(jié)果表明，負(fù)載量為1%時(shí)除醛效果最好，經(jīng)過，除醛率達(dá)到61.7%，且其降解過程不會(huì)產(chǎn)生二次污染.

2.3 活性炭與等離子體聯(lián)用

等離子體催化降解甲醛技術(shù)具有能耗低、效率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn)，可以將其與活性炭吸附相結(jié)合以增強(qiáng)活性炭除醛的效果[17]. 不過關(guān)于活性炭與等離子體聯(lián)用技術(shù)的研究還比較少見.

2.4 活性炭與生物試劑聯(lián)用

楊光俊等[18]將青柿子粉負(fù)載到活性炭上，研究載有青柿子粉的活性炭對(duì)甲醛的吸附反應(yīng)特性，并探討了其最佳吸附條件. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，載有青柿子粉的活性炭能有效吸附甲醛，最佳條件為：青柿子粉用量，pH=1.0，反應(yīng)溫度30℃，反應(yīng)時(shí)間.

3 結(jié)論與展望

活性炭具有較豐富的微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，應(yīng)用于有害氣體的凈化去除具有高效、廉價(jià)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn). 目前活性炭除醛技術(shù)已經(jīng)比較成熟，未來活性炭除醛發(fā)展的技術(shù)路線有兩種：一是改性活性炭除醛技術(shù)，即通過物理化學(xué)改性，改變活性炭表面基團(tuán)或者增大其比表面積；二是活性炭與其他技術(shù)手段聯(lián)合，例如活性炭與光催化聯(lián)合、活性炭與等離子體聯(lián)合等. 但是，國(guó)內(nèi)對(duì)活性炭與其他手段聯(lián)用技術(shù)的理論研究還不夠深入，缺乏具體的數(shù)學(xué)模型. 另外，由于空氣污染物比較復(fù)雜，不可能是單一的甲醛氣體，為了接近實(shí)際的室內(nèi)污染環(huán)境，以后的研究可以嘗試用活性炭處理多種室內(nèi)污染物的混合氣體.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Research Progress in Removal of Formaldehyde by Activated Carbon

ZHANGXiang-ai, DUWen-qin

(Guangdong Higher Education Institutes Engineering Technology Research Center for Functional Textiles, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Formaldehyde, one of the main pollutants in the air, can not only cause cancer and deformity but also is a recognized allergy source and one of the potential mutagens. Removal of indoor formaldehyde is widely employed to solve the increasing indoor air contamination by formaldehyde. The influence factors and new technology of formaldehyde removal by activated carbon (AC) are summarized this paper and the development direction and application potential are also discussed.

indoor pollutants; activated carbon; formaldehyde removal technology

1006-7302（2015）03-0027-05

X512

A

2015-01-29

張祥愛（1989—），女，廣東潮州人，在讀碩士生，主要研究方向?yàn)榧徔椆δ懿牧希欢盼那?，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)榧徔椆δ懿牧霞靶录夹g(shù)研究.