以活性炭為主的吸附類空氣凈化技術發展綜述
1 引言
隨著室內裝修的不斷升溫，各種建筑材料的廣泛應用，由此引發的室內空氣污染越來越受到人們的關注，其中主要的污染物為來源于油漆、膠合板、刨花板、內墻涂料、塑料貼面等材料中的甲醛、苯、VOCs（Volatile Organic Compounds）等揮發性有機物。
近年來，針對上述這些污染物的各類空氣凈化器越來越頻繁的出現在人們的工作和生活環境中。常見的空氣凈化技術有：光催化、高壓靜電、負離子、等離子、吸附等以及相關的復合技術。吸附類空氣凈化技術目前使用比較廣泛，本文介紹吸附類空氣凈化技術發展，以期對空氣凈化行業有一定的借鑒意義。
2 吸附原理
吸附是由于吸附劑和吸附質分子間的作用力引起的，根據作用力的不同，可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附主要靠分子間的范德華力，把吸附質吸附在吸附劑表面，是可逆過程，只能暫時阻擋污染而不能消除污染。當吸附條件改變，如降低氣相中吸附質的分壓力或提高被吸附氣體的溫度，吸附質會迅速解吸。因此，低溫對物理吸附是有利的。化學吸附是依靠固體表面與吸附氣體分子間的化學鍵力，是化學作用的結果，其作用力大大超過物理吸附的范德華力，往往是不可逆的過程，而且，化學吸附速度會隨著溫度的升高而增加。通常情況下，揮發性物質的分子與吸附劑起化學反應而生成非揮發性的物質，這種機理可使得低沸點的物質如甲醛被吸附掉。值得注意的是，同一物質在較低溫度下可能發生物理吸附，而在較高溫度下往往發生化學吸附，也可能兩種吸附方式同時發生[1]。
3 常見的吸附劑
一般來說，常用的吸附劑有活性炭、活性氧化鋁、硅膠和分子篩等。
3.1 活性炭
活性炭是利用木炭、木屑、椰子殼一類的堅實果殼，果核及優質煤等做原料，經過高溫炭化，并通過物理和化學方法，采用活化、酸性、漂洗等一系列工藝而制成的黑色、無毒、無味的物質。其比表面積一般在500～1700m2/g之間，高度發達的孔隙結構——毛細管構成一個強大吸附力場。當氣體污染物碰到毛細管時，活性炭孔周圍強大的吸附力場會立即將氣體分子吸入孔內，達到凈化空氣的作用。
3.2 活性氧化鋁
活性氧化鋁為γ型氧化鋁，一種多孔性物質，每克的內表面積高達數百平方米，在石油煉制和石油化工中是常用的吸附劑、催化劑和催化劑載體；在工業上是變壓器油、透平油的脫酸劑，還用于色層分析；在實驗室是中性強干燥劑。
3.3 硅膠
硅膠的主要成分是二氧化硅，根據其孔徑的大小分為：大孔硅膠、粗孔硅膠、B型硅膠、細孔硅膠。由于孔隙結構的不同，其吸附性能各有特點。粗孔硅膠在相對濕度高的情況下有較高的吸附量，細孔硅膠則在相對濕度較低的情況下吸咐量高于粗孔硅膠，而B型硅膠由于孔結構介于粗、細孔之間，其吸附量也介于粗、細孔之間。大孔硅膠一般用作催化劑載體、消光劑、牙膏磨料等。
3.4 分子篩
分子篩是一種硅鋁酸鹽，主要由硅鋁通過氧橋連接組成空曠的骨架結構，在結構中有很多孔徑均勻的孔道和排列整齊、內表面積很大的空穴。此外還含有電價較低而離子半徑較大的金屬離子和化合態的水。由于水分子在加熱后連續地失去，但晶體骨架結構不變，形成了許多大小相同的空腔，空腔又有許多直徑相同的微孔相連，比孔道直徑小的物質分子吸附在空腔內部，而把比孔道大的分子排斥在外，從而使不同大小形狀的分子分開，直到篩分分子的作用，因而稱作分子篩。
沸石和分子篩都是一富含水的K、Na、Ca、Ba的硅鋁酸鹽。從化學成分上說是一樣的。結構上也差不多，他們的主要區別是在用途上，沸石一般是天然的，孔徑大小不一，只要有空泡就可以防止爆沸。而分子篩的功能要高級的多，比如篩選分子、做催化劑、緩釋催化劑等，因而對孔徑有一定的要求，經常是人工合成的。
上述吸附劑中，活性炭在空氣凈化領域中是最常用的吸附劑。因此，介紹以活性炭為主的吸附類空氣凈化技術的發展。
4 活性炭吸附技術的發展
早在第一次世界大戰期間，活性炭就被應用于防毒面具。通過防毒面具應用的推動，活性炭市場不斷擴大，活性炭的吸附功能在眾多行業的精制、回收、合成上的應用陸續開發。到20世紀40年代，隨著環境保護日益受到重視，政府法令的日趨嚴格。活性炭在空氣凈化等方面的用量劇增，越來越多的應用在環保產業。自2003年非典期間的活性炭口罩和純凈水的凈化應用，使活性炭進入人們的日常生活中。近幾年發展起來的運用活性炭的吸附特性吸附室內有害氣體消除室內污染，成為活性炭應用的一次新革命。
4.1 單一技術的發展
4.1.1 活性炭纖維及相關技術
活性炭主要被加工成顆粒狀或粉末狀，只有當活性炭的孔隙結構略大于有害氣體分子的直徑，能夠讓有害氣體分子完全進入的情況下（過大或過小都不行），才能達到最佳的吸附效果[2]。目前粉末狀活性炭逐漸被活性炭纖維取代[3]。活性炭纖維一般是用天然纖維或人造有機化學纖維經過炭化制成，其主要成份由碳原子組成。碳原子主要以類似石墨微晶片、乳層堆疊的形式存在。活性炭纖維有較發達的比表面積（2000m2/g）和較窄的孔徑分布，與活性炭相比，有較快的吸附脫附速度和較大的吸附容量。
活性炭纖維雖然優于活性炭，但它也不是萬能的，其吸附氣體污染物的能力與很多因素相關：Navarri[4]等對聚合物原材料炭化和活化制成的活性炭纖維吸附VOCs（以二甲苯、乙酸乙酯和全氯乙烯為測試氣體）進行的研究表明，活性炭纖維對二甲苯的吸附量隨著比表面積的增加而增加，但比表面積的大小對乙酸乙酯的吸附量沒有多大影響；Fuertes[5]等的研究表明，活性炭纖維在吸附不同吸附劑時，對高濃度吸附質，吸附量與吸附質的性質無關，僅與孔容相關，對低濃度吸附質，吸附量可依據吸附質的等張比容和極化率精確預測。
對活性炭纖維進行表面改性，可以提高其吸附性能：采用空氣氧化方法對活性炭纖維孔表面的化學性質進行修飾，在吸附甲醛時能顯著增加吸附量和穿透時間[6]。用 H2O2 對活性炭纖維非極性表面改性后, 在動態吸附實驗中表現了對甲醛較好的吸附效果。用聚丙烯腈活性炭纖維經浸漬改性處理后提高了對甲醛的吸附容量[7]。
4.1.2 單一吸附技術的局限性
單一吸附技術主要表現為以下三點局限性[8]：
1）單一吸附劑大多具有專一性，對某種或某類組分具有較好的吸附效果，但室內空氣組分復雜，所需除去的物質種類、濃度不同，就需要開發具有較大吸附范圍的新型吸附劑。
2）物理吸附存在吸附飽和問題，吸附劑工作一段時間后吸附能力達到飽和，失去吸附功能。化學吸附隨著吸附劑的消耗，吸附能力也變弱。
3）吸附劑吸附空氣中的有機物，如不及時清理，可能會成為細菌滋生的場所，成為二次污染。
4.2 復合技術的發展
4.2.1 TiO2＋活性炭的相關技術
為了彌補單一吸附技術的缺陷，相關研究人員開發出了以TiO2為主的催化劑和活性炭結合的復合吸附產品。
利用活性炭與光催化劑納米TiO2復合的方法，首先在支撐體表面上粘結活性炭形成吸附層，然后再將納米TiO2負載在活性炭粉末顆粒上形成最外層的光催化層。可以達到以下的特點[9]：
1）合理的幾何形狀支撐體，使凈化比表面積較大和氣流阻力較小。
2）TiO2處于最外層，紫外光直接作用在TiO2光催化劑上，提高利用率。
3）借助活性炭的吸附作用，對空氣中極低濃度的污染物進行快速吸附凈化和表面富集，加快了光催化降解反應的速率，抑制了中間產物的釋放，提高了污染物完全氧化的速率；TiO2的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TiO2表面遷移，從而實現了活性炭的原位再生，延長使用周期。通常被稱為“協同效應”。
黃彪等[10]在超臨界乙醇條件下制備TiO2光催化劑-活性炭（Sc-TiO2-AC）復合材料，并進行了針對甲醛凈化性能的試驗研究。通過和Sc-TiO2與活性炭的簡單混合物對比，發現：若TiO2與活性炭之間僅為簡單機械混合，兩者是相對獨立，TiO2與吸附劑之間不會產生協同效應，污染物不能在炭表面遷移，因此對于TiO2非但沒有因炭吸附提供其富集的污染物高濃度環境，反而因污染物先被炭吸附而使TiO2周圍環境的污染物濃度更低，造成光催化降解速度低，去除污染物效果差。又因為污染物不能從炭的表面遷移至TiO2表面由光催化反應過程脫除，因此也就不能實現活性炭原位再生的過程。而復合材料中光催化劑和活性炭可以達到“協同效應”。同時，對300、350、400℃下制備的Sc-TiO2-AC復合材料進行比較，表明在300℃下制備的Sc-TiO2-AC復合材料甲醛去除率最高。
胡將軍等[11]采用溶膠-凝膠法制得的含Fe3+的TiO2光催化劑，以活性炭纖維作載體，在波長254nm的紫外光下對甲醛進行吸附和光催化氧化，效率較高。同時，TiO2的負載量也影響凈化效率，23.5g活性炭纖維分別負載2.0g、3.5g、4.5gTiO2時，隨著催化劑負載量的增加，曲線上升減退（見圖1），吸附速率變慢。當催化劑負載于活性炭纖維上時，堵塞了活性炭纖維上相當一部分孔徑，且催化劑粉末的吸附性能不及活性炭纖維，導致整體吸附性能的下降。從圖1還可以看出催化劑為3.5g時獲得了較高的處理率。這可能是因為催化劑負載量較小時光催化劑與甲醛的接觸面積太小，導致氧化的速率比較慢；但負載量較大時卻犧牲了活性炭纖維的吸附性能，同樣也影響了光催化氧化的效率。
4.2.2 新吸附復合技術
另外，活性炭摻雜氧化鋁后對TVOC的凈化性能也有較大的提高。筆者曾對同一廠家的凈化器做過相關的試驗。如圖2所示。試驗中所用活性炭唯一的區別就在于是否摻有氧化鋁，從試驗數據表明，摻有氧化鋁后，在2h內凈化器對TVOC的凈化效率從43％提高到了76％。
近幾年的工作中，筆者也接觸到了另外一些吸附復合技術：
1）與靜電場結合使用，將活性炭氈與聚丙烯過濾膜復合，利用鏡像力原理捕集在電場中獲得飽和電量的顆粒污染物。
2）一種不受光源限制的催化技術為核心，組合生物酶技術、等離子技術、負氧離子技術、復合吸附技術等組成的凈化技術，該技術主要對空氣中的有機污染氣體氧化分解，達到清新空氣的目的。
3）生物催化酶與浸漬活性炭結合，分解甲醛等污染物，使活性炭恢復活性。
4）微生物吸附復合技術[12]，工作原理為：有機物被微生物攝取之后，通過代謝活動，一方面被分解、穩定，并提供微生物生命活動中所需的能量；另一方面被轉化，合成新的原生質（或稱細胞質）的組成部分，使微生物自身生長繁殖。微生物凈化空氣具有以下三個主要特性：
a由于微生物形體微小，表面積大，從而可以大量吸附有機物。
b具有很強的分解、氧化有機物的能力。
c適用范圍廣。由于微生物具有代謝類型多樣和生長繁殖快、易變異等特性，可以針對不同的用途，在優選、馴化的基礎上將各具功能的菌提取出來。
4.2.3 復合技術的局限性
1）以TiO2為主的催化劑和活性炭結合的復合吸附產品雖然能在一定程度上延長活性炭的使用周期，但同樣面臨活性炭失效的問題；
2）由于凈化技術趨于與空調系統相結合，活性炭本身會增加系統的能耗；
3）一些新的吸附技術如微生物吸附，其本身的安全性問題也是需要設計人員著重考慮的；
4）二次污染問題：靜電場、光催化等技術可能會產生臭氧。
5 展望
吸附技術由于技術比較成熟，操作方便，已經有較廣的適用范圍。但是還有很多提升的空間，從上述的發展綜述可以看出，吸附技術還可以從以下幾個方面來提高：
1）活性炭或活性炭纖維可以采用相關技術進行改性，加強其吸附機理的研究，針對不同的污染物，采取相應的措施，并研制對多種氣體污染物都能有良好吸附效果的產品；
2）對于復合技術，應從催化劑與吸附劑的比例、處理條件等方面考慮，更好的發揮其“協同效應”和對氣體污染物的凈化效率；
3）和其他技術如：高壓靜電、負離子等聯合凈化，進行互補，達到凈化的高效率；
4）開發新型吸附產品，使其更好的適應市場的需求；
5）活性炭再生成為研究熱點。
參考文獻
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