活性炭纤维过滤器祛除室内污染物的研究

　   引言

　　随着现代生活方式的改变，城市人们在室内停留的平均时间已经占全天时间比例的90%左右[1，2]，室内空气品质日益受到重视。为了清除室内空气中对人体有害物质，通风是一种非常有效的方法，但是，室外大气污染日益严重，有时甚至比室内空气更加不卫生，另外，室内外空气交换需要大量的能源消耗，因此，用适当的清洁空气置换室内的污染空气才是更加合理的途径。目前普遍使用的空气过滤器只是过滤灰尘，大多不具备清除有害气体和细菌的功能，成功分离低浓度的气态污染物和细菌对改善室内空气品质至为重要。

　　活性碳纤维对室内气态污染物具有很好的吸附性能[3]，将活性碳纤维过滤器应用于民用建筑空调系统中，在新风量不变的条件下，能使室内空气得到更全面的净化。本文采用分光光度法测定，对平板式、折叠式、旁通式三种结构的过滤器分别对甲醛、氨气的吸附性能进行了比较研究。

　　1活性炭纤维的比表面积和孔径分布

　　与粒状活性炭GAC( Granular Activated Carbon)相比，活性炭纤维ACF( Activated Carbon Fiber)在吸附性能方面更具备优点[4]：

　　( 1)吸附量大。ACF对有机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GAC大几倍到几十倍，对无机气体，如NO2、SO2、H2S、NH3、CO、CO2、HF、F2等有很好的吸附能力。而且，对微生物、细菌也有优良的吸附能力，如对大肠杆菌和

　　Sccharamyees Cerevisiate的吸附率可达94%￣99 %。

　　( 2)对低浓度吸附质的吸附能力特别强。即使对ppm数量级吸附质仍具备很高的吸附量，而GAC等吸附材料往往在低浓度时吸附能力大大降低。

　　( 3)吸附速度快。对气体的吸附一般能在数十秒或数分钟内达到吸附平衡，如ACF对碘的吸附量只需几十秒便达到平衡，而GAC则需要104￣105s，二者相差2￣3个数量级。

　　吸附剂的孔径分布与孔隙结构对吸附性能有着重要影响，决定了比表面积大小、吸附容量以及吸附质组分的选择分离性能。求吸附质比表面积的方法有多种，如BET法、一点法、点法等，本文采用BASIC语言编B写了ACF的比表面积和孔径分布计算程序，运用BET法求比表面积SA，采用圆孔等效模型求纤维的孔径分布[5]。

　　在这里，某种ACF样品质量为0.98g，实验温度为77.35 K，方法是在装有样品的真空容器中，充入氮气，并不断测量容器中的氮气压力和ACF样品的质量变化，吸附过程与解吸过程的实验数据如图1所示，孔径分布计算结果如图2所示，比表面积的计算结果为：SA=1224.806m2/g，单分子饱和吸附量Vm =275.3004cm3/g。

　　上述数据表明，实验用ACF微孔( r<10 A)丰富，中孔( 10 A250 A)极少，微孔分布呈单分散形，在r = 7A时孔体积最大，能达到0.2261 ml/( g·A)。另外，解吸曲线与吸附曲线非常贴近，说明孔的形状也极其规则。这些特点对ACF吸附祛除低浓度、小分子气态污染物非常有利。

　　2 ACF过滤器的实验研究

　　2.1 ACF过滤器的样品制作

　　选用的ACF材料的基本技术参数如表1所示，从上述静态吸附实验来看，其吸附性能良好。

　　在设计过滤器时，应尽量增大吸附接触面积，这有利于提高吸附性能和降低阻力。为了对不同结构的ACF过滤器进行综合比较，制作了三

　　种结构形式的过滤器，即：平板式、旁通式、折叠式，其主要结构参数如表2所示。

　　2.2 ACF过滤器的实验研究

　　ACF过滤器吸附性能测试参照文献[6￣8]所述方法进行，因为测试方法和程序比较成熟，过程叙述比较繁复，具体的实验过程这里不再赘述。

　　测试气体选用氨气和甲醛蒸气，氨气有强刺激性气味，以此检验过滤器驱除异味的能力;而甲醛本身就是室内VOCs的典型代表;另外，这两种气体的发生相对来说比较容易，测试方法也比较成熟。ACF过滤器的吸附效率受多种因素的影响，如温度、相对湿度、气流速度、污染物浓度等。此次测试主要确认气态污染物的浓度、气流速度对吸附过程的影响情况，同时也获得三种过滤器的吸附效率、阻力特性比较。

　　三种过滤器对甲醛蒸气的吸附效率比较如图3所示，测试过程中，风量控制在( 150±5.0) m3/h范围内波动，甲醛蒸气初始浓度控制在( 25±3) ppm范围内。

　　可见，初始效率最高的是折叠式过滤器( 69.3%)，其次是平板式过滤器( 56.2%)，最低的是旁通式过滤器( 29%)，从初始效率来看，三种过滤器对甲醛的吸附效率都不是很高。折叠式过滤器的吸附效率下降得比

　　另外两种过滤器都要快得多，原因是它装填的活性炭材料相对其它两种过滤器要少，分别为平板式的59%，旁通式的42%。

　　三种过滤器对氨气的吸附效率比较如图4所示，测试过程中，风量控制在( 150±5.4) m3/h范围内波动，氨气初始浓度控制在( 25±2.6) ppm范围内。

　　可见，初始效率最高的仍然是折叠式过滤器89.2%)，其次是平板式过滤器( 82.4%)，最低的是旁通式过滤器( 36.9%)，从初始效率来看，三种过滤器对氨的吸附效率比较对甲醛的吸附效率高，说明ACF过滤器的吸附性能具有一定的选择性。

　　对三种过滤器在不同迎面风速下的阻力进行了测试，并用指数方程进行拟合，拟合曲线如图5所示。可专题研讨

　　旁通式阻力最小，折叠式阻力最大，平板式次之。

　　采用滤膜称重法对三种过滤器的除尘效率进行测试如表3)。模拟尘使用滑石粉，采样流量为10 L/min，采样时间为5min。可见，三种过滤器的除尘效率相差不大，旁通式平均效率略低。

　　不同风量条件下，平板式过滤器对氨的吸附效率比较，初始浓度为( 25±2.2) ppm，图7是不同浓度条件下，平板式过滤器对氨的吸附效率比较，风量为153±4.9) m3/h。图6表明，气流速度增加，NH3与吸附材料的接触时间减少，吸附效率下降;图7表明，进口污染物浓度增加时，吸附效率也下降，但浓度的影响相对没有风量的影响显著。因此，ACF过滤器的吸附效率并不是一个固定值，对某一个过滤器指出其对某种气体的吸附效率时，必须同时指出其测定条件。

　　3结语

　　三种活性炭纤维( ACF- Activated Carbon Fiber)过滤器的吸附效率、阻力、和滤尘效率实验数据为过滤器的设计和选用提供了参考数据。从综合角度考虑，平板式过滤器相对较为理想，其各项性能参数都比较高;但平板式过滤器加工工艺简单，有利于批量生产和降低成本。折叠式效率较高，但阻力相对偏大，而旁通式则效率偏低，因此，要直接应用于舒适性空调尚需改进。

　　本实验研究采用的比色法，从采样到获得数据约需1h，显得烦琐而缺乏灵活性，建议采用化学传感器检测仪器，以减少人为误差，同时能及时获得数据，有利于对发生源进行调整。另外，建议使用有变频控制的轴流风机，更好地控制风量。

　　由于室内气态污染物种类繁多，当用ACF过滤器净化室内空气时，存在多种气态污染物竞争吸附行为，对此进行进一步的分析和研究是很有意义的。