改性活性炭治理室内空气污染物机理与现状研究.pdf

2 0 0 9年第 9 卷第 6期 气体净化 9 改性 活性炭治 理室 内空气 污染物机理与现状研究 任芸芸 傅 成诚 西安工程大学 环 化学 院 陕西 西安7 1 0 0 4 8 摘要 活性炭治理室内空气污染物应用广泛且具有 良好 的应用前 景 介 绍 了活性 炭表面化学结 构 和性质对其 吸附室 内污染物的影响 对改性 活性炭吸附特定室 内污染物质的研究进行 了讨论 并对 未来 活性炭改性 的方 向提 出了建议 关键词 活性炭 改性 吸附 室内空气污染物 室内环境是与人类关系最为密切的外环境 研 究 表 明 室 内空气质量 I n d o o r Ai r Qu a l i t y I AQ 在 很大程度上影 响人们 的健康 1 随着我国工业化 城 市化水 平不 断提 高 各种 室 内建 筑装 饰 材 料 的大 量使 用 曾在 诸 多工业 发 达 国家造 成 严 重 社会 危 害 的室 内空 气 质 量 问题 及 污 染 问题 在 我 国也 日显 突 出 普遍出现 了被称为 高楼综合症 装饰装修过 敏症 等易经常反复发作的人体不适应症状 2 目前 国内外对控制室内环境污染研究主要集 中在两方面 污染源控制研究和空气净化技术研究 空气净 化技术 中研究 较多 的是利 用活 性炭 等多孔 吸 附材料的吸附法 由于可以长时间不断吸附 且没有 二次污染 因此活性炭治理室 内污染气体被各 国专 家 学者 看好 在近 2 O年来 国 内外很 多学者 越来 越 重视对活性炭表面化学性质尤其是官能团作用 的研 究 3 并基 于此对活 性 炭 进行 改 性 从 而 开 发 出高 效 专一的吸附剂 1 活性炭 吸 附室内污染 物机 理 1 1 活性炭表面化 学结构及性质 研究 表 明 活 性炭 表 面 化学 性 质 主要 由其表 面 化 学官 能团 表 面杂 原 子 和表 面 化 合 物 确定 其 中 活性 炭表 面化学 官 能 团又 分 为 含 氧 官能 团和 含 氮官能团 一般认 为 含氧官能团主要为原料 中炭 化 不完全 的产 物或者是 活化 过程 中活 性炭 与活化 剂 进行化学反应而结合在表面上的 其又可分为酸性 含 氧官能 团 包括 羧基 酚羟基 正 内酯基 环 式过氧 基 醌形 羰基 等 见 图 1 碱 性 含 氧 官能 团 包括 类 吡喃酮结构基团等 酸性氧化物使活性炭具有极性 的性质 有利于吸附各种极性较强的化合物 碱性化 合物易吸附极性较弱或非极性物质 含氮官能团来 源一般为原料炭化不完全等产物或是在活化过程 中 活 性 炭 与 活 化 剂 进 行 化 学 反 应 而 结 合 在 表 面 匕的嘲 f I f f e O 图 1 活性炭表面含氧酸性官能 团的可能结构形式 a 一羧基 b 一羧酐基 c 一内醇基 d 一乳酸基 e 一酚羟基 f 一羰基 g 一醌型羰基 h 一醚基 普通 活性炭 表 面具 有 非 极性 和 疏水 性 按 照非 极性气体分子吸附在活性炭上的微孔填充机理 由 于微孔的两个相对壁面相对很近 表面势能重叠 使 吸附量大大增加 因此 即使非极性气体分子 的相 对压力很低 在活性炭上的吸附量也很大 非极性 气体通过扩散作用富集在微孔 中 而极性化合物的 吸附却 与表 面含 氧组 分 有关 当极 性 分 子 的偶 极 矩 越 大 越 受 到活性 炭 表 面含 氧 官能 团的 性质 和 数 量 的影响 所以极性气体的吸附不仅受到微孔结构的 影 响 而且 更 多地 受 到活 性 炭质 材 料表 面化 学 性质 的影响 而对选定 的吸附剂 在通常的相对压力下 吸附能 力 主要受 到 吸附质性质 的影 响 7 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 此 外物理吸附稳定性很差 在温度压力等条件变化时 容易脱附而造成二次污染 1 2活性 炭吸 附 气体机 理 活性炭的吸附特性取决于它的空隙结构和其表 面化学性质 而表面化学性质决定 了活性炭的化学 吸附 活性炭对气体吸附既有物理吸附又有化学吸 挚 1 O 气体净化 2 0 0 9年第 9卷第 6 期 附 一般情 况 下两者相 互伴 随同时发生 6 物理 吸 附是活性 炭对气体 的吸附主要 由范德 华 力 引起 活性 炭 的基 本微 晶是 与石墨 类似 的二维 平 面结构 排列 为六角 形 的碳 原 子平 行 层 面对 外 来 吸 附质有强烈的范德华力作用 使吸附质与活性炭表 面形成 氢键 活性炭 自气相 中 吸附某 组分 以达 到分 离效果 L 1 引 化 学 吸附是活性 炭 的类 似石 墨的微 晶结构 中有 大量 不饱和键 大 的 比表 面 积和 丰 富 的孔 结构 也 使 活性 炭表面有 大量 的处在 边 棱上 的高 能量碳原 子 这些 原子可 能与气 体 中某组 分 发生 化 学 反应 从 而 使活 性炭具 有化 学吸附 的性能 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 活性炭 材料 的吸附表 面化学 性质改 性 就是指 通过一 定 的方 法改善 活性炭材 料 吸附表 面 的官能 团及其 周边 氛 围 的构造 使 其 成 为特 定 吸 附 过程中的活性点 从而可以控制其亲水 疏水性能以 及 与金属 或金 属氧化 物 的结合 能力 8 1 引 微 孔填 充 和 毛细凝 结 作用 活 性炭 的微孔 容 积 占总孔 容积 的很大 比例 进 入微孔 中的分 子受 到 四 方孔壁 的叠加 作用 能 当气 体平衡 压力不 很大 时 微 孔 即可 被 吸附质 完 全填 满 而 中孔 在 一 定 的气 体 平衡压 力下被 吸 附 的吸 附质 形 成 凹面 在 凹 液面 上 发生 毛细凝 结 从 而使吸 附量急剧 增加 3 改性 活性炭 吸 附室 内污染 物的应 用 3 1 改 性 活 性 炭 吸 附 VOCs VO C s 是指 沸点从 5 O 至 2 6 0 室温 下饱 和 蒸汽压超过 1 3 3 3 2 2 P a的易挥发性化合物 1 其主 要成 分为 烃类 氧烃类 含 卤烃类 氮烃 等L 1 活性 炭对 气体 的吸 附能力 可用 亲合 系 数 来 表 述 颗粒 活性炭对一些气体的亲合系数分别为 苯 1 0 甲苯 1 2 5 二 甲苯 1 4 3 甲醛 0 5 2 氯 乙烷 0 7 5 丙 酮 0 8 8 氯仿 0 8 6 四氯 化碳 1 0 5 正 己烷 1 3 5 正 庚 烷 1 5 9 氨 0 2 8 在一 些活性 炭 吸 附 VO C s 性 能 的研 究 中发 现 活 性炭 通过 与不 同的 氧化 剂 反应 可 以得 到不 同孔 结 构和表 面化学 性质 如椰壳 活性 炭经湿 氧化处 理 后 表面 微观形 貌会 发生较 大的变 化 研 究表 明 用 浓 HNO 氧化处 理活性 炭后 其表 面 含氧 官 能 团减 少 含氧 量减 少 比表 面积 和 微孔 容 积 减 少 孔 径 变 窄 以至于其对苯和丁酮的吸附能力均有所降低 而 利 用体 积分数 为 3 O 的 H O 溶 液对 其 处理 后 表 面含氧 量有所增 加 比表 面积和微 孔容积 增加 孔径 变 大 具 有活 化作 用 可增 强 其对 苯 的吸 附 而减 弱 了对丁酮 的吸 附 1 3 2改 性 活性 炭 吸 附 甲 醛 气 体 甲醛是 一种 无 色 易溶 的刺 激性 气 体 被 认为 是 非工业 室 内环境 对人 体健康影 响最 为严重 的一 种污 染物 具 有强烈 的致 癌和 促癌作 用 L 1 对 于室 内 甲 醛污染 的控制 与治 理 目前 主 要有 化 学反 应 法 生化 分解法 和吸 附法 而 吸附法 由于方便 有效 脱 除效率 高 富 集 能 力 强 不 造 成 二 次 污 染 等 特 点 被 广 泛 应用 汤进 华 等利 用 强 氧 化 性 的 HNO 和 H O 改 性活性炭对 甲醛气体进行 吸附发现 处理后 的样品 有 利于吸 附 甲醛气 体 而 经 氨基 改性 过 的样 品吸 附 效果 减弱 其 主要 原 因是 HNO 改性 增加 了活性 炭 表 面的 C O O C O 等含氧 官能 团的量 从而 改 善 了对 甲醛 的 吸 附效 果 2 引 王 淑 勤 等又 利 用 亚 硫 酸氢钠和 碳酸钠 改性 的活性炭 对 甲醛进 行吸 附去除 率为 6 0 穿 透 时间 比市售 活性 炭延长 2 5 9 6 吸附 容量 比市 售活性 炭大 3 3 9 O 2 3 3 改性 活性 炭吸 附苯废 气 苯是一种无色具有特殊芳香气味的液体 是强 烈 的致癌 物质 胶水 油漆 涂料和 黏合剂等是 室 内 空气 中苯 的主要 来 源 活性炭对 低浓 度含 苯废气 的 吸 附十分有效 而 通过 对 普通 煤 质活 性 炭进 行 酸碱 改性 处理 除去 酸 碱 可溶 性 物 质 使 活性 炭 灰分 大 大降低 从而可以提高活性炭的比表面积 提高活性 炭 吸附苯废气 的活 性L 2 研究 发现 廉 价 的煤 质活 性 炭通 过酸 碱交 替改 性后 处理工 业苯废 气 可 以取 得 较好 的吸 附效果 比 表 面积从 7 3 7 8 0 m g提高 到 1 3 9 5 4 8 m g 苯 饱 和吸 附量从 1 6 6 0 mg 1 0 0 mg提高 到 2 6 9 7 mg 1 0 0 mg 增 加 了 1 O 3 7 mg 1 0 0 mg 同 时 灰 分 从 9 3 2 降至 0 4 L 2 3 4 改 性 活 性 炭 吸 附 CO2 二 氧化 碳 虽然 不 是有 毒气 体 但是 室 内二 氧化 碳 浓度 会 迅 速 升 高 使 人 恶 心 头 痛 等 C O z 虽 然 是非极 性 物质 但 因存在 四极矩 而具有一 定极性 因而 直接 影 响 了 活 性 炭 对 它 的 吸 附效 果 通 过 用 H O HNO 加醋酸铜溶液进行表面改性 使活性 炭表面酸性官能团含量的变化 从而使活性炭吸附 C O 有显 著改善 其 中 以 7 mo l L硝 酸 溶 液加 0 4 mo l L醋酸铜 溶液 处理效果 最好 研究表 明活性 炭 的表面改性可以使活性炭表面酸性官能团含量发生 改 变 从而 改变对 C O 的 吸附量L 2 3 5 改性 活性 炭吸 附氨 气及 三 甲胺 室 内空气 中的氨气 主要来 自于建 筑施工 中混凝 2 0 0 9年第 9卷第 6 期 气体净化 1 1 土外加剂 建筑物在投入使用后 特别是夏季气温 较高时 外加剂分解 出氨并从墙体中缓慢释放出来 氨气对人体的危 害是腐蚀 和刺 激接触到的人体组 织 引 对室内空气中存在的氨气及三甲胺 研制数 种改 性活性 炭 2 q 研 究 发现 汤鸿 等 人L 3 叩利用 亚 铁盐和铜盐配方改性处理的活性炭对氨气和三甲胺 有较 好 的吸附性 能 并 且 该 活 性炭 在 氨 气 和 三 甲胺 浓度较高时有较高的吸附容量 4结 语 改性活性 炭在 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 目 前仍存在一些 问题 对于一种吸附剂来说 不 同的 气体浓 度有不 同的吸附性 能 由于实 际应 用 中 室 内 空气污染物成分复杂 因此竞争 吸附 以及针对各种 污染 物进行特 殊改性 的研 究非 常重要 参考文献 1 吴鹏章 张晓山 牟玉静 张逸 室 内空气 质量与人 体 健康 J 环境科学与技术 2 0 0 4 2 7 2 4 O 一4 2 7 7 2 王澎 室 内空气质量及 污染控 制 J 环 境科学 与技术 2 0 0 1 2 4 2 2 6 2 7 3 Mo r a ws k i A W I n a g a k i M Ap p l i c a t i o n o f M o d i f i e d S y n t h e t i c Ca r b o n o f t h e Su r f a c e o f Ga s Ac t i v a t e d c a r bo n a n d a Ch e mi c a l l y Ac t i v a t e d c a r b o n wi t h H NO3 J C a r b o n 3 2 1 9 9 4 4 6 7 5 6 8 6 4 韩严和 全燮 薛大 明 赵雅 之 陈硕 活性 炭 改性研 究进展 J 环境 污染 治理 技术 与设 备 2 0 0 3 4 1 3 3 37 5 王鹏 张海禄 表面化学改 性吸 附用 活性炭 的研究 进展 J 炭素技术 2 0 0 3 3 2 3 2 8 6 日 北 川睦夫著 丁瑞 芝译 活性 炭处理水 的技术和管 理 M 北京 新 时代 出版社 1 9 8 7 8 4 4 7 单晓梅 杜铭华 朱书全等 活性炭表 面改性及吸 附极 性 气体 J 煤炭转化 2 6 2 0 0 3 1 3 2 3 6 8 Ba e J S Do D D Su r f a c e Di f f u s i o n o f S t r o n g l y Ad s o r b i n g Va p o r s i n Ac t i v a t e d Ca r b o n b y a Di f f e r e n t i a l Pe r me a t i o n Me t h o d J C h e m E n g S c i 2 0 0 3 5 8 1 9 4 4 03 4 4 1 5 9 An i a C O P a r r a B P i s I n f l u e n c e o f Ox y g e n c o n t a i n i n g F u n c t i o n a l Gr o u p s O n Ac t i v e C a r b o n Ad s o r p t i o n o f S e l e c t e d Or g a n i c C o mp o u n d s J F u e l P r o c e s s Te e h n o 1 2 0 0 2 7 9 3 2 6 5 2 7 1 1 0 Ak mi l Ba Ar C Ka r a g u n d u z A Ke s k i n l e r B e t a 1 E f f e c t o f Pr e s e n c e o f I o n s o n S u r f a c e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Su r f a c t a n t M o d i f i e d P o wd e r e d Ac t i v a t e d Ca r b o n P A C J Ap p 1 S u r f S c i 2 0 0 3 2 1 8 1 4 1 7 0 17 5 1 1 Ak s o y l u A E F a r i a J L P e r e i r a M F R Hi g h l y Di s p e r s e d Ac t i v a t e d Ca r b o n S u p p o r t e d P l a t i n u m Ca t a l y s t s Pr e p a r e d b y OM C VD A Co mp a r i s o n wi t h W e t I m p r e g n a t e d C a t a l y s t s J Ap p 1 C a t a 1 A Ge n e r a l 2 0 0 3 2 4 3 2 3 5 7 3 6 5 1 2 程琰 尹华强 刘勇军 裴伟 征 陈军 辉 多孔 炭材料 在 室 内空气污染控制 中的应用i J 2 0 0 4 2 4卷 2期 9 2 9 6 1 3 日 炭素材料学会编 高 尚愚 陈维译 活性 炭基础与应 用 M 北京 中国林业出版社 1 9 8 6 1 4 肖芸 张幸 室 内挥 发性有 机化合 物污染 所致 的生物学 效应 J 中国预防 医学杂志 2 0 0 7 8 4 4 9 6 4 9 8 1 5 沈学优 罗晓璐 等 空气 中挥 发性有 机化合 物的研 究进 展 J 浙江大学学报 理学版 2 0 0 1 2 8 5 5 4 7 5 5 6 1 6 尹维东 刘来 红 乔 慧 贤 等 室 内空 气 污染 物 的净 化 J 环境污染治理技术与设备 2 0 0 2 3 2 5 3 5 5 1 7黄正宏 康 飞宇 吴慧 粱开 明 湿氧 化改性 多孑 L 炭对 低 浓度 苯和丁酮蒸汽的吸附 J 清华大学学 报 自然科 学 版 2 0 0 0 4 0 1 0 l 1 1 1 1 1 5 1 8 王晓红 厨房空气中甲醛卫生标准的研究E J 环境监测 管理 与技 术 1 9 9 5 7 1 9 宋 晓慧 解万里 绿色建 材 浅谈室 内装修 与卫生 保 健 J 中国卫生 工程学 1 9 9 6 5 4 1 9 2 2 O 蔡健 胡将军 张雁 改性活性炭纤维对 甲醛吸 附性能的 研究 J 环境科学 与技术 2 0 0 4 2 7 3 1 6 1 9 2 1 尹维东 刘来 红等 室 内空气污染物 的净化 J 环境 污 染治理技术与设备 2 0 0 2 3 2 5 3 5 5 2 2 汤进华 梁晓怿 龙东 辉 刘小