凈化技術詳解——活性炭吸附技術
2018-05-28
活性炭吸附技術,是空氣凈化領域另一項比較常見的技術,專除大氣污染物里的有毒氣體,如苯、甲苯、甲醛、SO2、NO等,以及各種異味。
活性炭是一種由竹、木、果或煤等含碳的物質,在經過高溫炭化后再經活化和漂洗烘干而成的黑色無定型粉末或顆粒狀?;钚蕴烤哂懈叨劝l(fā)達的孔隙結構,其孔徑大小分布很寬,從幾個納米的微孔到肉眼可見的大孔都有,孔的形狀也各式各樣,有毛細管狀、墨水瓶型、V型等,比表面積在600~2500m2/g之間。
這里有個概念——比表面積。比表面積主要對多孔固體物質而言,是指多孔固體物質單位質量所具有的表面積,包括外表面積和內表面積,但由于固體物質外表面積相對內表面積要小很多,基本可以忽略不計,因此比表面積通常指內表面積。
高度發(fā)達的孔隙結構,提供了足夠大的表面積,讓活性炭能夠與氣體(雜質)充分接觸,從而賦予了它特有的超強吸附性能。
活性炭的吸附性能包括物理吸附和化學吸附,常溫下,以物理吸附為主。其中物理吸附,主要靠吸附劑(活性炭)和吸附質(有害氣體)分子間的范德華力起作用,是個可逆過程,能暫時減少空氣中的污染但并不能徹底消除污染,當溫度高到一定程度時,被吸附的氣體部分會被再次釋放出來。這是活性炭的缺陷,但這又可以轉化為它的優(yōu)勢,當活性炭達到飽和后可用熱空氣或水蒸氣脫附,實現活性炭的循環(huán)使用。
雖然活性炭的物理吸附主要依靠范德華力起作用,但卻會因孔徑與氣體分子尺寸相差大小的不同,而出現不同吸附效果。當分子尺寸大于孔直徑,分子無法進入孔內,故不起吸附作用;當分子直徑與孔直徑相當,這時吸附劑的捕捉能力是最強的,適用于濃度較為低時的吸附;當分子尺寸小于孔直徑,隨著氣體分子的填充孔徑逐漸變小,孔內氣壓變低,更多的氣體分子被吸附進來(這現象又叫毛細凝聚),這種情況下的吸附量是最大的;當分子尺寸遠小于孔直徑,被吸附的分子容易發(fā)生脫附,在氣體濃度較低時,這種情況下的吸附量小。所以,只有當活性炭的孔隙結構略大于有害氣體分子的直徑(過大或過小都不行),才易達到最佳的吸附效果。
活性炭的另一種吸附——化學吸附,則是依靠吸附劑表面與吸附質分子間的化學鍵,其作用遠遠大于物理吸附的范德華力,一般為不可逆的過程?;钚蕴吭谥苽涞倪^程中,由于灰分和其它雜原子的存在,其基本結構發(fā)生了變化,變得不飽和,氧和其他雜原子在活化過程中與其形成各種官能團,不過對活性炭產生重要影響的化學官能團主要是含氧官能團和含氮官能團?;钚蕴勘砻娴倪@些官能團與揮發(fā)性物質的分子發(fā)生化學反應生成非揮發(fā)性的物質,從而達到去除污染的效果。
發(fā)達的孔隙結構、巨大的比表面積和豐富的官能團,讓活性炭可以吸附空氣中的多種污染,而且使用也相當方便。但是,活性炭也存在著一定的缺陷:活性炭容易飽和,隨著吸附劑的消耗,吸附能力會變弱,使用一段時間后容易出現吸附效率變低甚至失去吸附功能。而且,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,不過頻繁的更換則易導致費用直線攀升。為克服活性炭的這些缺陷,人們開始尋找辦法。對活性炭進行改性就是其中一種。
所謂的活性炭改性即通過一定的方法如氧化、還原、負載雜原子和化合物等,使活性炭獲得更強的吸附能力和更大的孔容,即提升活性炭的物理吸附和化學吸附能力。
提高物理吸附性能,主要有通過物理方法或者化學方法來增加活性炭的比表面積、調節(jié)孔徑及分布,使活性炭的吸附表面結構發(fā)生改變,從而改變活性炭的物理吸附性能。
化學吸附性能的提高,則是通過改變活性炭吸附表面化學性質來實現。也是借助物理或化學方法來改善活性炭吸附表面的官能團(增加數量和種類,提高活性等),從而提高其與揮發(fā)性物質的結合能力。
尋找新型原材料則是另一種解決方法。目前粉末狀的活性炭逐漸被活性炭纖維取代。活性炭纖維一般是用天然纖維或人造有機纖維等各種高分子纖維經過炭化、活化處理而成,所得活性炭的比表面積為1000~3000m2/g,孔徑狹窄且均一,具有更高的吸附效率。據相關記載,活性炭纖維的吸附脫附能力為一般粒狀、粉末狀活性炭的400倍以上,壽命也更長。不過,目前活性炭纖維的造價較高,制備工藝也還不成熟,所以暫未得到大范圍推廣。
當然,與其它吸附材料相結合也是不錯的辦法。這樣的復合型吸附材料,不僅可以增強吸附性能,也能減少制作的成本。