活性炭纤维及其在空气净化器中的应用

司生产的各种 ACF 的结构性能与 GAC 的性能比较 [ 4] 。 表 1 各种 ACF 和 GAC 的性能比较
外表面积 , m 2 / g 1~ 1. 2 0. 2~ 0. 7 1. 5~ 2. 0 0. 001~ 0. 01 微孔容积 , mL/ g 0. 5~ 1. 2 0. 5~ 1. 1 平均孔径 , nm 1. 5~ 3. 0 1. 0~ 1. 6 2. 0~ 3. 0 1. 5~ 4. 5 4. 0~ 6. 0 抗张强度, kg/ mm 2 30~ 40 7~ 10 20~ 50 10~ 18 -
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2003 年 8 月 第 31 卷 第 4 期
活性炭纤维及其在空气净化器中的应用
蔡来胜, 刘春雁, 刘
摘
刚
( 东华大学环境学院 , 上海 200051)
要 : 论述了活性炭纤维的基本特性以及它在空气净化 器中的应 用 , 通 过试验 得出复 合活性 炭纤维对 空气净 化器产生的臭氧以及室内的二氧化碳有很好的去除效果。 关键词 : 活性炭 ; 纤维 ; 空气净化器 ; 臭氧 ; 二氧化碳 中图分类号 : T S102. 528. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 2044( 2003) 04 - 0010 -03
1 前
言
的含量 , 除掉各种异味 , 达到调控空气品质的目的。
活性炭纤维 ( Activated Carbon F iber, 缩写 ACF) 是 上世 纪 70 年代后在活性炭基础上开发的新 型炭材料 , 它以木 质素、 纤 维素、 酚醛纤维、 聚 丙烯纤维、 沥 青纤维 等为原料 , 经 炭化和 活 化制得。与粉状活性炭 ( PAC) 、 粒状活性炭 ( GAC) 以及活性 炭 粒子热 熔 或 粘 附 在 玻 璃 纤 维 或 有 机 纤 维 上 的 纤 维 活 性 炭 ( FAC) 相比 , 活 性炭 纤维 比表 面 积大 , 微 孔丰 富 , 孔 径小 而 均 匀 , 吸附量大 , 吸 附速 度快 , 再 生容 易 , 工艺 灵活 性大 ( 可 制 成 纱、 布、 毡和纸等制品 ) , 不易粉化和沉降 [ 1] 。目前 ACF 已经 广 泛应用在化学工业、 环境保护、 辐射防护、 电子工业、 医用、 食品 卫生等行业。目前广泛应用 的空气 净化器的 出风口 前多安 装 有活性炭纤维过滤器 , 带活性炭纤维的净化 机能有效地去除大 多数的有机污染物、 氨、 硫化物和放射性气体氡 , 经过特殊处 理 的活性炭纤维能够除掉静电场产生的臭氧 , 降低室内二氧化碳
1 - 进风口 ; 2- 预过滤器 ; 3- 风机 ; 4- 紫外线灭菌器 ; 4a带有反射罩的紫外灭菌灯 ; 5- 离子浸润装 置 ; 6 - 复合吸 附 层 ; 6a- 活性炭纤维层 ; 6b - CO2 吸附层 ; 7- 气 - 氧混 合室 ; 8-Leabharlann Baidu负离子发生器 ; 9- 出风口。
器基本上对 CO2 没 有除去能力 , 甚至净 化器开 启后 , CO2 的含 量还可能升高 , 是否是高压静 电场或者臭 氧将 CO 氧化成 CO2 还不确定。所以制造能够吸附室内 CO2、 价格又便宜的活 性炭 纤维得到关注。 3. 3 . 1 试验结果 现在有一个 5 5 4 ( m) 的房间 , 利用 人工
3 活性炭纤维在空气净化器中的应用
由于常规的通风技术达不到室内空气质量标准的要求 , 使 用空气净化器是改善室内空气质量、 创造健 康舒适的办公室和 住宅环境 的有效方法 , 也 是最节 约能源 的空气 净化方 法之一。 使用特殊 化学浸渍工艺制成 的复合 活性炭纤 维能有 效地去 除 空气中的 CO 、 CO2、 苯类、 臭氧等有害气体
收稿日期 : 2002- 11- 19; 修回日期 : 2003- 5- 18 作者简介 : 蔡来胜 ( 1979- ) , 男 , 东华大学 环境学院 在读硕 士研究 生 , 研究方向为室内空气品质以及空气品质调控机的研究。
CO 、 CO2 及 HF、 SiF 4 等也 有很 好的 吸附 能力。对 水溶 液中 的 无机化合物、 染料、 苯酸 等有机化 合物及贵金 属离子的吸 附量 也比粒状 活性炭 高 , 有 的高 5~ 6 倍。对微 生物及 细菌也 有良 好的吸附能力 , 例如对大肠 杆菌的吸附 率可达 94%~ 99% 。表 2 是 A CF 和 GAC 在 20 饱 和蒸汽 压下 对挥发 性有 机化 合物 ( VO C) 的吸附量 [ 2] , 由于 室内 通常 存在 各种 不同 的有 机化 合 物 , 所以在空气净化器上安装活性炭纤 维可有效改善室内空气 品质。 活性炭纤维不仅吸附量大 , 且有吸附速度快、 脱附速度快、 对低浓度吸附有很好的吸附能力、 吸附层薄等优点。
2003 年 8 月 第 31 卷 第 4 期 表2
被吸附物质 丁基硫醇 二甲基硫 三甲胺 苯 甲苯 丙酮 三氯乙烯 苯乙烯 乙醛 四氯乙烯 甲醛
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ACF 和 GAC 对 VOC 的吸附量
A CF( 质量 % ) 4300 64 99 49 47 41 135 58 52 87 45 G AC ( 质量 % ) 117 28 61 35 30 30 54 34 13 70 40
[ 5]
。
3. 1
空气净化器的结构
静电式空气净化器结构如图 1 所示 , 活性炭纤维过滤段 在
净化器中扮演了重要角色。
图 3 经过活性炭纤维后的空气臭氧含量 3. 3 活性炭纤维层对 CO2 的去除效果 CO2 作为室内空气清洁状况的评价指 标 , 一般要求浓 度不 超过 0 07% 。CO2 体积 浓度 比达 到 0. 1% 时 , 多 数人 会感 觉 不舒服 ; 30% 时 , 可出现死亡 [ 8] 。现在市场上 出售的空气 净化 图 1 空气净化器 结构图
污染的方法将室内 CO2 的含量 从 0. 03% 提高到 0. 14% , 利用 仪器测量 CO 2 的体积比浓度 , 房间封 闭 , 室 内有吊 扇促使 空气 流动 , 净化器的风量为 800m / h, 每隔 2min 测量室内 CO2 的含 量变化 , CO2 通过复合活性炭纤维层的浓度变化见图 4, 由图 4 可以看出该净化器对 CO2 有 很好的 净化作 用 , 在 30min 内 , 能 将封闭室内 CO 2 的浓 度 降到 低 于室 外空 气 中的 0. 03% 的 浓 度。 图 2 不含活性炭纤维净化 器产生的臭氧量 3. 2 活性炭纤维层对臭氧的去除效果 文献 [ 5] 叙述臭氧浓度在 0. 1mg/ m 3 及以上时 , 可引起鼻 和 喉头粘膜刺激 , 哮喘发作 , 同时刺激眼睛 , 使视觉敏感度和视 力 降低 , 直至头痛、 胸 痛、 思 维能力 下降 , 严重时 可导致 肺气肿 和 3. 3. 2 理论分析 基于质量守恒定律 , 考虑上面的房间 , 假设 CO2 和室内空气能瞬间 完全混 合 , 没 有送 风和排 风 , 可得 到针 对 CO 2 的浓度方程 式( 1) : QC G G C = + ( C0 ) exp (t) QC QC V CO2 含量为可接受量时所需的时间见 式( 2) :
酚醛基 A CF 粘胶基 A CF 聚丙烯腈基 A CF 沥青基 A CF 颗粒活性炭
活性炭纤维的表面含有一系列活性官能团 , 主要是含氧官 能团 , 如羟基、 羰基、 羧基 、 内 酯基等。有 的活性 炭纤维 还含 有 胺基、 亚胺基以及磺酸基 等官能 团 , 活性炭纤 维表面 官能团 对 吸附作用有明显的影响 [ 3] 。 活性炭纤维具有发达的微孔结构 , 对有 机化合物蒸汽有较 大的吸附量 , 对一些恶臭物质 , 如正丁基硫醇等吸附量比粒状活 性炭大几倍至几十倍。对无机气体如 NO、 NO2、 SO2、 H2S、 NH3 、
Properties and Applications in the Air Cleaner of Activated Carbon Fiber
CA I L ai sheng, LIU Chun - yan, LIU G ang ( Do nghua U niversity , Shanghai 200051, China) Abstract: T his paper presents some basic characters of activated carbon fiber and its applications in the air cleaner . T he result shows that indoor air cleaner w ith A CF has an obvious effect on cleaning ozone and CO2 . Key Words: Act ivated carbon, Fiber , Air cleaner, Ozone, CO2, A ir quality
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2003 年 8 月 第 31 卷 第 4 期 培养 48 h 后发现 ACF 对空气中浮 游菌的阻挡率不到 10% 。 3. 5 复合活性炭纤维对其他有害气体 的净化及再生 很多学者研究过活性炭 纤维吸 附或去 除其他 有害气 体的 能力 , 本文探讨的复合活性炭的第一层 是普通的聚丙烯腈基活 性炭纤维 , 所以该活性炭纤维对其他有 害气体的净化作用可以 借鉴这些学者的研究成果 。文献 [ 9] 叙述 了 A CF 对 香烟 烟雾 中的 3, 4 - 苯骈芘有特殊吸附能力 , 对烟碱的吸附率也很高。文 献 [ 10] ~ [ 12] 的 测 试结 果表 明 ACF 对 甲苯、 氨、 甲醛、 二氧 化 硫、 单氧 化 氮 氧 化 物、 硫化 氢以及多种 挥发性有机 化合物 ( V OC) 都有很好的吸附效果。 ACF 再生的条件不苛刻 , 它的碳 含量高 , 因而 具有导 电性 能 , 利用这一特 性可直 接通 电再生 , 也 可用 100 以上 热蒸 汽 或热空气快速再生 [ 3] , 利用 100 的热水 处理 2~ 3 次 , 30 min 后可达到完全再生。这样可以再生几十次 , 从而降低了成本。
肺水肿。卫生防疫和环境 保护部门 要求室 内空气 净化器 产生 的臭氧 浓度必 须低 于 0. 1mg/ m 3, 为 此 , 通常要 降低 室内空 气 净化器的运行电压 , 从而也降 低了净化效率 [ 6] 。所以降低及有 效的除去静电场产生的臭氧是净化器推广的关键。 我们利用图 1 所示的样机测试活性炭纤维对 O3 的吸附分 解能力。风 量 分别 为 800m 3/ h 和 1200m 3/ h, 室内 温 度 18 , 相对湿度 60% , 开机 10min 后 , 在离出口 不同距离 处进行 气体 采样 , 用 722 分光光度计测量臭氧浓度。不用活性炭纤维 时的 测量结果见图 2, 图 2 表明静电场在 7500V 左右时产生的 臭氧 量大大超过了满足人体健康的规定值 , 采用活性炭纤维后测试 的结果见 图 3, 图 3 表 明经过活 性炭纤 维处理 的空气 , 其 臭氧 含量低于 0. 1mg / m 3, 满足室内人员的健康要求。 经过测试 , 该机在 800 m 3/ h 风 量 , 开 机 30 min 时 的除 菌 率也 能达到 98% , 通常人 们认 为静 电场产 生的 高浓度 的正 离 子是杀菌的 主要原因 , 认为 带负电的细 菌在高浓度 、 高能 量的 正离子浸润 作用下 , 会迅速 发生电解过 程 , 细 菌的细胞壁 遭到 严重破坏 [ 7] , 但目前这一理论 还没有 得到证实 , 笔 者认为 电场 产生的臭氧也起到了重要杀菌作用 , 两 者如何影响杀菌的效果 还需要试验研究。但活性 炭纤维是 目前除 去臭氧 的最好 方法 之一。
种 类 纤维直径 , m 9~ 11 15~ 18 6~ 11 10~ 14 比表面积 , m 2 / g 1000~ 2300 1000~ 1500 700~ 1200 1000~ 2000 800
2 活性炭纤维的结构及性能
活性炭纤维的灰份低 , 其主 要元素 是碳 , 碳原子 在活性 炭 纤维中以类石墨微晶的乱层堆叠形式存在 , 三维空间有序性较 差 , 经活化后生成的孔隙中 , 90% 以上为微孔 , 构 成了活性炭纤 维的大量内表面积 [ 2] 。活性炭纤维具有较大 的外表面积 , 而且 大量微孔都开口在纤维表 面 , 在 吸附和 解吸过 程中 , 分子 吸附 的途径短 , 吸附质可以 直接进入 微孔 , 这为 活性炭 纤维的 快速 吸附 , 有效地 利用 微孔 提供 了条 件。而 活性 炭需 要经 过由 大 孔、 过渡孔构成的较长的吸附通道。活性炭纤维 孔隙结构另一 个特点是孔径分布狭窄 , 孔径比 较均匀 , 暴 露在纤 维表面 的大 部分是 2nm 左右的微孔。 ACF 的比表面积是 颗粒活性炭 的数 倍 , 可吸附处理低浓度废气或 具有高活性的物质。表 1 是某公