多孔炭材料在室内空气污染治理中的应用研究
近年来，室内空气质量问题越来越受到人们的关注，室内空气污染控制技术也正成为环境工程研究的新热点。作为优良的吸附材料，多孔炭材料在室内空气污染控制中日益得到广泛的应用。本文将对多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用加以综述并探讨其发展方向。
1 室内空气污染物的分类及治理现状
室内空气污染物通常可按照污染源的性质和污染物存在状态两种方法进行分类[1～2]。按照污染源的性质可分为物理性污染、化学性污染、生物性污染和放射性污染4大类。物理性污染是指由电磁辐射、噪声、振动以及不合适的温度、湿度、风速和照明等引起的污染。室内空气质量标准(ＧＢ/Ｔ18883-2002)规定了湿度、相对湿度、空气流速和新风量等4个参数。化学性污染是指由甲醛、苯系物、氨气和悬浮颗粒物等引起的污染。室内空气质量标准规定了SO2、NO2、CO、CO2、NH3、Ｏ3、苯并[α]芘、可吸入颗粒、总挥发性有机物等9个参数；甲醛、苯、甲苯、二甲苯也属于挥发性有机物，但由于其严重危害性，将它们单独列出，生物性污染是指由细菌、真菌、花粉、病毒、生物体有机成分等引起的污染，室内空气质量标准规定了菌落总数1个参数。放射性污染也可归为物理性污染，室内空气质量标准中只规定了氡气这一参数。
按照污染物存在状态可分为悬浮颗粒污染物和气态污染物两大类。前者包括无机和有机颗粒物，微生物和生物溶胶。后者包括无机化合物、有机化合物及放射性物质。室内空气污染主要是人为引起，尤以化学性污染最为突出。无论传统“燃料型”污染物还是近来广泛受到关注的“室内装修型”污染物，基本上都属于化学性污染，尽管其浓度较低，但多种污染物共同存在于室内，长时间联合作用于人体,涉及面广，接触人多，对人体健康的影响最为严重。因此，目前国内许多工作都主要集中在化学性污染的防治上，而对大部分物理性污染(电磁辐射、噪声、振动、以及不舒适的温度、风速和照明)控制技术的研究鲜见报道。
室内悬浮颗粒污染物通常采用纤维过滤或静电除尘进行处理，尤其以过滤式净化方法居多。室内气态污染物的成分复杂，浓度低，危害大，不宜集中处理，已成为室内空气污染的重点。研究较多的有吸附法、催化法、负离子法、臭氧氧化法、非平衡等离子体法等[3～4]。这些方法各有优缺点，由于吸附法选择性高，能分离其他方法难以分离的混合物，能有效清除浓度很低的有害物质，净化效率高，设备简单，操作方便，因此在实际中广泛应用。
2 多孔炭材料及其在控制室内空气污染中的应用
2.1 多孔炭材料的特性
多孔炭是指具有丰富孔隙结构的碳素材料，各种形态的活性炭是这类材料的典型代表。自18世纪发现木炭具有吸附气体的作用以来，以活性炭为代表的多孔炭材料陆续在许多领域，尤其是吸附分离领域得到广泛应用。活性炭具有高度发达的微孔结构，因而具有强大的吸附能力。由于孔径分布宽,活性炭能吸附各种不同大小的分子,适用于室内污染物浓度低、成分复杂的特点。此外，与沸石、硅胶、活性氧化铝等极性吸附剂相比，活性炭还具有非极性的特点[6]。因此，活性炭被广泛用于吸附室内空气中的气态污染物[1,3～4,5-6]。
活性炭纤维是由有机纤维经炭化、活化而制得的新型炭材料。与颗粒状活性炭相比，活性炭纤维比表面积更发达,微孔直径小(集中在1ｎｍ左右)且丰富(微孔的体积占总孔体积的90%以上)，同时微孔直接开口于纤维表面，因而具有吸附容量大、吸附效率高、吸附、脱附速度快等优点[7]。由于其结构和性能的特殊性，用活性炭纤维吸附室内空气污染物已成为科研工作者的研究热点[8～9]，并展现出广阔的应用前景。
2.2 多孔炭材料在室内空气污染控制中的应用
2.2.1 挥发性有机气体的净化
挥发性有机物大多属于非极性或弱极性物质，因此适于选用非极性吸附剂来进行吸附。活性炭是一种非极性的多孔材料，对非极性或弱极性的挥发性有机物有较强的吸附能力。除此之外，由于活性炭的孔径范围宽，吸附容量大，因此广泛用于吸附室内空气中的挥发性有机化合物。活性炭对气体的吸附能力可用“亲合系数”和“平衡吸附容量”来表述，颗粒活性炭对一些气体的亲合系数分别为[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。对一些有机物的平衡吸附容量见表1[9]。
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由以上数据可见,活性炭材料对许多室内常见的挥发性有机气体有良好的吸附性,相对无机气体而言,对有机气体的吸附性能更好一些。而活性炭纤维由于其巨大的比表面积和优异的孔结构,对许多有机物的平衡吸附容量优于颗粒活性炭。
2.2.2 无机气体的净化
2.2.2.1 氮氧化物 Kaneko Ｋ等人实验表明,活性炭纤维对NO的吸附性能良好 ，用α-ＦeOOH处理的活性炭纤维对NO的吸附量高达150mg/g。
Ｍochidai等人在室温条件下用硫酸再活化活性炭纤维，用NH3使NO还原成Ｎ2，转化率在90%以上,在干燥的条件下，转化率可达100%。
2.2.2.2 氨和胺类化合物 活性炭纤维表面官能团能与氨或氨基形成氢键、离子键等，对胺类化合物的吸附量很大。特别是硫酸活化后，对氨的吸附量(质量分数)可由0.2%增加到3%以上，在室温下能有效地吸附氨而且受湿度的影响小。
2.2.2.3 臭氧 有研究表明，活性炭纤维不仅能很好地吸附臭氧，而且其表面官能团能催化臭氧分解。表2列出了臭氧入口质量分数为3×10-6，吸附层高度2～5ｃｍ，气体线速度为0.5ｃｍ/ｓ时，聚丙烯氰基活性炭纤维(PAN -ACF)对臭氧的吸附量。实际应用中，将活性炭纤维布包附在复印机机壳内，用于处理复印机等设备产生的臭氧。日本研究者还研制出了供分解低浓度臭氧使用的蜂巢状活性炭滤器。
2.2.3 香烟烟雾的净化 香烟烟雾的粒径大致在0.01～1μｍ范围内,含有上百种有害物质，可被吸入人体肺部，是室内空气污染物重要污染源之一。Qlander等用活性炭和载负氧化铝的吸附床及电子空气净化器来去除香烟烟雾中的气态组分。
日本有关专家的研究表明，活性炭纤维对香烟烟雾中的有害成分有很高的吸附率，对许多化合物的吸附率在90%以上，,能有效地清除香烟烟雾中的有害物质。[5]
2.2.4 微生物的处理 相对于气态污染物的防治而言，对微生物污染的控制技术研究较少。事实上，从某种程度上讲，许多呼吸道传染病都是由于室内空气中的细菌或病毒造成。因此,在研究气态污染物处理技术的同时，也应加强对消除微生物污染的技术研究。将活性炭吸附与光催化氧化技术结合的方法不仅能有效降解各种气态污染物,还能将微生物富集起来，通过光催化氧化起到集中杀灭微生物的作用。
2.2.5 放射性气体氡的处理 氡是一种具有放射性的气体。活性炭对氡具有较强的吸附能力，并已广泛用于环境氡的累积测量、探矿等各项科研活动中[9]。国外很早就有学者对活性炭的吸附能力以及活性炭吸附床作了相关研究，并指出应尽量减少水分和其他挥发性有机污染物的干扰[11]。
3 室内空气污染控制存在的问题及其发展方向多
孔炭材料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，但仍存在一些问题。
3.1 非生产性室内环境尽
管多孔炭早已广泛用于室外大气污染和水污染的治理中，并且近年来在室内空气污染尤其是室内有机污染物的吸附中也开始得到应用，但相关研究还很少。目前，虽然不难了解到可被吸附的污染物种类和一些基本的吸附性能的数据,但这些数据多来源于如生产性车间这样的工业实践中。对于一种吸附剂来说,不同的气体浓度有不同的吸附性能。由于工业排放的气态污染物的浓度比一般非生产性室内空间的空气污染物浓度高得多，因此将这些数据应用到非生产性室内环境时必须谨慎。
3.2 竞争吸附在
选择一种吸附材料时，必须清楚其对某种特定或一系列污染物的吸附性能。目前国内大多数关于多孔炭材料对室内空气污染物的吸附研究主要还停留在吸附容量等基本吸附性能方面。关于去除效率、湿度对吸附过程的影响，不同污染物的竞争吸附的系统研究尚未见报道。一般认为，水蒸气并不干扰有机物和其他化合物在活性炭上的吸附过程。但国外有研究表明[5]，当空气中的相对湿度超过40%时，活性炭能吸附大量的水蒸气而严重降低其对有机分子的吸附能力。此外，由于实际应用中,室内空气污染物成分复杂，因此竞争吸附的研究非常重要。
3.3 活性炭改性技术目
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；同时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。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。通过表面化学改性,可变物理吸附为化学吸附，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，积极探索针对处理室内空气污染物的活性炭改性技术，研究开发出高效的炭质吸附剂是室内空气净化剂的重要发展方向之一。
目前国内已有这方面的研究[8]，如在活性炭纤维上添附脂肪酸类的酸性物质，利用酸碱中和反应以提高对氨(尿臭)的吸附性能；添加氢氧化钠、碳酸钠等碱性物质到活性炭纤维上,利用酸碱中和反应以提高对H2S、SO2、ClO 2、硫醇类的酸性气体的吸附性能；将碘、溴或其他化合物添附到活性炭纤维上，以将硫化氢、硫醇、硫醚类物质氧化成硫、硫酸或生成其他硫化物而积蓄；在活性炭纤维上添附胺及胺的诱导体，以提高活性炭纤维对醛类的吸附性能；把铂簇(钯、铂、铑一个以上)触媒引入碳纤维载体上,以过渡金属与H2S、CH3SH、NH3、NOX、CO等形成络合物而去除等。
3.4 活性炭的催化
由于吸附剂始终存在吸附容量有限、使用寿命短等问题，同时吸附达到饱和以后必须再生，操作过程必然为间歇。而催化具有操作连续的优点，成为室内空气净化的主要发展方向之一。例如，利用MnO2、ＣuO和Pt组成的催化剂可分解臭氧为氧。近年来，利用比表面积比活性炭更大的活性炭纤维上载附活性化学物质，制备出具有去污、抗菌作用更强的净化材料，应用前景广阔[1]。
在各种催化技术中,光催化氧化技术由于具有反应条件温和、经济等优点,同时既能去除气态污染物，又能去除微生物，有着巨大的应用潜能，可望在各种室内场合得以应用。由于室内环境中单一污染物的浓度很低，低浓度下污染物的光催化降解速度较慢，并且光催化氧化分解污染物要经过许多中间步骤，有些中间产物是极其有害的物质。为了克服这些不足，可采用光催化与吸附组合的方法。利用活性炭的吸附能力使污染物浓集到一特定环境，提高了光催化氧化反应速率，吸附中间副产物使其进一步被光催化氧化，达到完全净化。同时，被吸附的污染物在光催化的作用下参加氧化反应。因此，有可能通过光催化剂与活性炭的结合，使活性炭经光催化氧化而去除吸附的污染物后得以再生，从而延长使用周期。有关活性炭与光催化的组合方式以及吸附光催化机理尚处于探索阶段，但光催化技术与多孔炭材料的吸附功能结合仍将是室内空气污染治理中最具前景的技术之一。[5]
将材料和设备结合，开发和研制有效的室内空气净化装置，是减轻室内空气污染的一个重要手段。活性炭与活性炭纤维作为吸附层在多种空气净化器中已得到广泛应用，但存在寿命短、更换频繁等问题。室内空气净化装置在国外发展较快，美国空气净化器市场的年增长率在10%以上[11]，我国刚刚起步，普及率还很低。因此，结合多孔炭材料吸附、催化技术的研究，加快开发和研制有效并适合不同场合的室内空气净化器具有广阔的市场应用前景。
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