以活性炭为主的吸附类空气净化技术发展综述
1 引言
随着室内装修的不断升温，各种建筑材料的广泛应用，由此引发的室内空气污染越来越受到人们的关注，其中主要的污染物为来源于油漆、胶合板、刨花板、内墙涂料、塑料贴面等材料中的甲醛、苯、VOCs（Volatile Organic Compounds）等挥发性有机物。
近年来，针对上述这些污染物的各类空气净化器越来越频繁的出现在人们的工作和生活环境中。常见的空气净化技术有：光催化、高压静电、负离子、等离子、吸附等以及相关的复合技术。吸附类空气净化技术目前使用比较广泛，本文介绍吸附类空气净化技术发展，以期对空气净化行业有一定的借鉴意义。
2 吸附原理
吸附是由于吸附剂和吸附质分子间的作用力引起的，根据作用力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要靠分子间的范德华力，把吸附质吸附在吸附剂表面，是可逆过程，只能暂时阻挡污染而不能消除污染。当吸附条件改变，如降低气相中吸附质的分压力或提高被吸附气体的温度，吸附质会迅速解吸。因此，低温对物理吸附是有利的。化学吸附是依靠固体表面与吸附气体分子间的化学键力，是化学作用的结果，其作用力大大超过物理吸附的范德华力，往往是不可逆的过程，而且，化学吸附速度会随着温度的升高而增加。通常情况下，挥发性物质的分子与吸附剂起化学反应而生成非挥发性的物质，这种机理可使得低沸点的物质如甲醛被吸附掉。值得注意的是，同一物质在较低温度下可能发生物理吸附，而在较高温度下往往发生化学吸附，也可能两种吸附方式同时发生[1]。
3 常见的吸附剂
一般来说，常用的吸附剂有活性炭、活性氧化铝、硅胶和分子筛等。
3.1 活性炭
活性炭是利用木炭、木屑、椰子壳一类的坚实果壳，果核及优质煤等做原料，经过高温炭化，并通过物理和化学方法，采用活化、酸性、漂洗等一系列工艺而制成的黑色、无毒、无味的物质。其比表面积一般在500～1700m2/g之间，高度发达的孔隙结构——毛细管构成一个强大吸附力场。当气体污染物碰到毛细管时，活性炭孔周围强大的吸附力场会立即将气体分子吸入孔内，达到净化空气的作用。
3.2 活性氧化铝
活性氧化铝为γ型氧化铝，一种多孔性物质，每克的内表面积高达数百平方米，在石油炼制和石油化工中是常用的吸附剂、催化剂和催化剂载体；在工业上是变压器油、透平油的脱酸剂，还用于色层分析；在实验室是中性强干燥剂。
3.3 硅胶
硅胶的主要成分是二氧化硅，根据其孔径的大小分为：大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶。由于孔隙结构的不同，其吸附性能各有特点。粗孔硅胶在相对湿度高的情况下有较高的吸附量，细孔硅胶则在相对湿度较低的情况下吸咐量高于粗孔硅胶，而B型硅胶由于孔结构介于粗、细孔之间，其吸附量也介于粗、细孔之间。大孔硅胶一般用作催化剂载体、消光剂、牙膏磨料等。
3.4 分子筛
分子筛是一种硅铝酸盐，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，比孔道直径小的物质分子吸附在空腔内部，而把比孔道大的分子排斥在外，从而使不同大小形状的分子分开，直到筛分分子的作用，因而称作分子筛。
沸石和分子筛都是一富含水的K、Na、Ca、Ba的硅铝酸盐。从化学成分上说是一样的。结构上也差不多，他们的主要区别是在用途上，沸石一般是天然的，孔径大小不一，只要有空泡就可以防止爆沸。而分子筛的功能要高级的多，比如筛选分子、做催化剂、缓释催化剂等，因而对孔径有一定的要求，经常是人工合成的。
上述吸附剂中，活性炭在空气净化领域中是最常用的吸附剂。因此，介绍以活性炭为主的吸附类空气净化技术的发展。
4 活性炭吸附技术的发展
早在第一次世界大战期间，活性炭就被应用于防毒面具。通过防毒面具应用的推动，活性炭市场不断扩大，活性炭的吸附功能在众多行业的精制、回收、合成上的应用陆续开发。到20世纪40年代，随着环境保护日益受到重视，政府法令的日趋严格。活性炭在空气净化等方面的用量剧增，越来越多的应用在环保产业。自2003年非典期间的活性炭口罩和纯净水的净化应用，使活性炭进入人们的日常生活中。近几年发展起来的运用活性炭的吸附特性吸附室内有害气体消除室内污染，成为活性炭应用的一次新革命。
4.1 单一技术的发展
4.1.1 活性炭纤维及相关技术
活性炭主要被加工成颗粒状或粉末状，只有当活性炭的孔隙结构略大于有害气体分子的直径，能够让有害气体分子完全进入的情况下（过大或过小都不行），才能达到最佳的吸附效果[2]。目前粉末状活性炭逐渐被活性炭纤维取代[3]。活性炭纤维一般是用天然纤维或人造有机化学纤维经过炭化制成，其主要成份由碳原子组成。碳原子主要以类似石墨微晶片、乳层堆叠的形式存在。活性炭纤维有较发达的比表面积（2000m2/g）和较窄的孔径分布，与活性炭相比，有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量。
活性炭纤维虽然优于活性炭，但它也不是万能的，其吸附气体污染物的能力与很多因素相关：Navarri[4]等对聚合物原材料炭化和活化制成的活性炭纤维吸附VOCs（以二甲苯、乙酸乙酯和全氯乙烯为测试气体）进行的研究表明，活性炭纤维对二甲苯的吸附量随着比表面积的增加而增加，但比表面积的大小对乙酸乙酯的吸附量没有多大影响；Fuertes[5]等的研究表明，活性炭纤维在吸附不同吸附剂时，对高浓度吸附质，吸附量与吸附质的性质无关，仅与孔容相关，对低浓度吸附质，吸附量可依据吸附质的等张比容和极化率精确预测。
对活性炭纤维进行表面改性，可以提高其吸附性能：采用空气氧化方法对活性炭纤维孔表面的化学性质进行修饰，在吸附甲醛时能显著增加吸附量和穿透时间[6]。用 H2O2 对活性炭纤维非极性表面改性后, 在动态吸附实验中表现了对甲醛较好的吸附效果。用聚丙烯腈活性炭纤维经浸渍改性处理后提高了对甲醛的吸附容量[7]。
4.1.2 单一吸附技术的局限性
单一吸附技术主要表现为以下三点局限性[8]：
1）单一吸附剂大多具有专一性，对某种或某类组分具有较好的吸附效果，但室内空气组分复杂，所需除去的物质种类、浓度不同，就需要开发具有较大吸附范围的新型吸附剂。
2）物理吸附存在吸附饱和问题，吸附剂工作一段时间后吸附能力达到饱和，失去吸附功能。化学吸附随着吸附剂的消耗，吸附能力也变弱。
3）吸附剂吸附空气中的有机物，如不及时清理，可能会成为细菌滋生的场所，成为二次污染。
4.2 复合技术的发展
4.2.1 TiO2＋活性炭的相关技术
为了弥补单一吸附技术的缺陷，相关研究人员开发出了以TiO2为主的催化剂和活性炭结合的复合吸附产品。
利用活性炭与光催化剂纳米TiO2复合的方法，首先在支撑体表面上粘结活性炭形成吸附层，然后再将纳米TiO2负载在活性炭粉末颗粒上形成最外层的光催化层。可以达到以下的特点[9]：
1）合理的几何形状支撑体，使净化比表面积较大和气流阻力较小。
2）TiO2处于最外层，紫外光直接作用在TiO2光催化剂上，提高利用率。
3）借助活性炭的吸附作用，对空气中极低浓度的污染物进行快速吸附净化和表面富集，加快了光催化降解反应的速率，抑制了中间产物的释放，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表面迁移，从而实现了活性炭的原位再生，延长使用周期。通常被称为“协同效应”。
黄彪等[10]在超临界乙醇条件下制备TiO2光催化剂-活性炭（Sc-TiO2-AC）复合材料，并进行了针对甲醛净化性能的试验研究。通过和Sc-TiO2与活性炭的简单混合物对比，发现：若TiO2与活性炭之间仅为简单机械混合，两者是相对独立，TiO2与吸附剂之间不会产生协同效应，污染物不能在炭表面迁移，因此对于TiO2非但没有因炭吸附提供其富集的污染物高浓度环境，反而因污染物先被炭吸附而使TiO2周围环境的污染物浓度更低，造成光催化降解速度低，去除污染物效果差。又因为污染物不能从炭的表面迁移至TiO2表面由光催化反应过程脱除，因此也就不能实现活性炭原位再生的过程。而复合材料中光催化剂和活性炭可以达到“协同效应”。同时，对300、350、400℃下制备的Sc-TiO2-AC复合材料进行比较，表明在300℃下制备的Sc-TiO2-AC复合材料甲醛去除率最高。
胡将军等[11]采用溶胶-凝胶法制得的含Fe3+的TiO2光催化剂，以活性炭纤维作载体，在波长254nm的紫外光下对甲醛进行吸附和光催化氧化，效率较高。同时，TiO2的负载量也影响净化效率，23.5g活性炭纤维分别负载2.0g、3.5g、4.5gTiO2时，随着催化剂负载量的增加，曲线上升减退（见图1），吸附速率变慢。当催化剂负载于活性炭纤维上时，堵塞了活性炭纤维上相当一部分孔径，且催化剂粉末的吸附性能不及活性炭纤维，导致整体吸附性能的下降。从图1还可以看出催化剂为3.5g时获得了较高的处理率。这可能是因为催化剂负载量较小时光催化剂与甲醛的接触面积太小，导致氧化的速率比较慢；但负载量较大时却牺牲了活性炭纤维的吸附性能，同样也影响了光催化氧化的效率。
4.2.2 新吸附复合技术
另外，活性炭掺杂氧化铝后对TVOC的净化性能也有较大的提高。笔者曾对同一厂家的净化器做过相关的试验。如图2所示。试验中所用活性炭唯一的区别就在于是否掺有氧化铝，从试验数据表明，掺有氧化铝后，在2h内净化器对TVOC的净化效率从43％提高到了76％。
近几年的工作中，笔者也接触到了另外一些吸附复合技术：
1）与静电场结合使用，将活性炭毡与聚丙烯过滤膜复合，利用镜像力原理捕集在电场中获得饱和电量的颗粒污染物。
2）一种不受光源限制的催化技术为核心，组合生物酶技术、等离子技术、负氧离子技术、复合吸附技术等组成的净化技术，该技术主要对空气中的有机污染气体氧化分解，达到清新空气的目的。
3）生物催化酶与浸渍活性炭结合，分解甲醛等污染物，使活性炭恢复活性。
4）微生物吸附复合技术[12]，工作原理为：有机物被微生物摄取之后，通过代谢活动，一方面被分解、稳定，并提供微生物生命活动中所需的能量；另一方面被转化，合成新的原生质（或称细胞质）的组成部分，使微生物自身生长繁殖。微生物净化空气具有以下三个主要特性：
a由于微生物形体微小，表面积大，从而可以大量吸附有机物。
b具有很强的分解、氧化有机物的能力。
c适用范围广。由于微生物具有代谢类型多样和生长繁殖快、易变异等特性，可以针对不同的用途，在优选、驯化的基础上将各具功能的菌提取出来。
4.2.3 复合技术的局限性
1）以TiO2为主的催化剂和活性炭结合的复合吸附产品虽然能在一定程度上延长活性炭的使用周期，但同样面临活性炭失效的问题；
2）由于净化技术趋于与空调系统相结合，活性炭本身会增加系统的能耗；
3）一些新的吸附技术如微生物吸附，其本身的安全性问题也是需要设计人员着重考虑的；
4）二次污染问题：静电场、光催化等技术可能会产生臭氧。
5 展望
吸附技术由于技术比较成熟，操作方便，已经有较广的适用范围。但是还有很多提升的空间，从上述的发展综述可以看出，吸附技术还可以从以下几个方面来提高：
1）活性炭或活性炭纤维可以采用相关技术进行改性，加强其吸附机理的研究，针对不同的污染物，采取相应的措施，并研制对多种气体污染物都能有良好吸附效果的产品；
2）对于复合技术，应从催化剂与吸附剂的比例、处理条件等方面考虑，更好的发挥其“协同效应”和对气体污染物的净化效率；
3）和其他技术如：高压静电、负离子等联合净化，进行互补，达到净化的高效率；
4）开发新型吸附产品，使其更好的适应市场的需求；
5）活性炭再生成为研究热点。
参考文献
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[10] 黄彪，陈学榕，江茂生，等.TiO2-活性炭复合材料吸附及光催化净化甲醛的研究[J].林产化学与工业，2005，25（3）：38-42
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[12] 微生物在室内环境污染治理中的应用[EB/OL].（2006-11-02）[2007-12-24].http://www.bjmje.com/News_Dis.asp?newsid=869&NClassID=66
唐冬芬，女，1980年10月生，助理工程师，地址：北京北三环东路30号，邮编：100013，电话：（010）64517313，传真：（010）84286521，E-mail：tdf@ncsa.cn
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