粒狀活性碳過濾器與活性碳纖維過濾器的性能比較

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簡(jiǎn)介： 化學(xué)過濾器可以處理空氣中的氣溶膠、有害氣體，還可以起到殺菌、消毒的作用。實(shí)際中最常用的化學(xué)過濾器是活性碳過濾器。本文重點(diǎn)對(duì)粒狀活性碳過濾器和活性碳纖維過濾器在過濾水和空氣時(shí)的性能進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)對(duì)比了粒狀活性碳和活性碳纖維的特性及結(jié)構(gòu)，并說明了活性碳纖維具有粒狀活性碳不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。并對(duì)活性碳纖維過濾器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，從而指出了活性碳纖維過濾器的經(jīng)濟(jì)性及其推廣的可能性和必然性。
關(guān)鍵字：活性碳 活性碳纖維 化學(xué)過濾器 活性碳纖維過濾器 性能對(duì)比

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境污染問題的重視程度及室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的只對(duì)可吸入顆粒物起作用的空氣過濾器已經(jīng)不能滿足人們的要求，于是化學(xué)過濾器便應(yīng)運(yùn)而生，這是因?yàn)樗梢郧宄諝庵械臍怏w污染物。隨著工業(yè)的發(fā)展和城市的不斷擴(kuò)大，我們身邊有害氣體的濃度也在增加，而人們對(duì)空氣的潔凈度要求卻在逐年提高，于是人們對(duì)化學(xué)過濾器的需求量也就在逐年增加。

2.化學(xué)過濾器

化學(xué)過濾器過濾原理是：有選擇的吸附有害氣體分子，而不是像普通過濾器那樣機(jī)械地清除雜質(zhì)。在通風(fēng)和空調(diào)領(lǐng)域，化學(xué)過濾器使用活性碳作為主要過濾材料^[1]。

活性碳材料中有大量肉眼看不見的微孔，其中絕大部分微孔的孔徑在5~500Å（1Å=1×10^-10m）之間，單位材料中微孔的內(nèi)部總比表面積可高達(dá)700~2300㎡/g^[1]。通常1g固體所占有的總表面積為該物質(zhì)的比表面積，其單位為㎡/g。一般來說，比表面積大，活性大的多孔物質(zhì)，其吸附能力強(qiáng)。

根據(jù)材料的處理方法，活性碳吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附?jīng)]有明顯的化學(xué)反應(yīng)，它主要依靠范德華力（Vander Waals）?；瘜W(xué)吸附是經(jīng)過化學(xué)處理而使材料與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的吸附，它的原理是：活性碳靠范德華力抓到氣體分子，材料上的化學(xué)成分與污染物起反應(yīng)，生成固體成分或無害的氣體^[1]。

3.粒狀活性碳過濾器及活性碳纖維過濾器

3.1 活性碳（AC－activated carbon）

活性碳，是一種具有多孔結(jié)構(gòu)和大的內(nèi)部比表面積的材料。由于其大的比表面積、微孔結(jié)構(gòu)、高的吸附能力和很高的表面活性而成為獨(dú)特的多功能吸附劑，且其價(jià)廉易得，部分還可再生活化，同時(shí)它可有效去除廢水、廢氣中的大部分有機(jī)物和某些無機(jī)物，所以它被世界各國廣泛地應(yīng)用于污水及廢氣的處理、空氣凈化、回收稀有金屬及溶劑等環(huán)境保護(hù)和資源回收等領(lǐng)域。

活性碳分為粒狀活性碳、粉末活性碳及活性碳纖維，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生賦活而被限制利用^[2]。

3.2 粒狀活性碳（GAC－granular activated carbon）

GAC的85%~90%用于水處理和氣體吸附處理，它的粒徑為500～5000μm，GAC的孔結(jié)構(gòu)一般是具有三分散態(tài)的孔分布,既具有按國際純粹與應(yīng)用化學(xué)會(huì)(IUPAC)分類的孔徑大于50 nm的大孔,也有2.0～50nm的中孔（過渡孔）和小于2.0nm的微孔^[3]。

由于GAC的孔狀結(jié)構(gòu)所致,它的吸附速度較慢,分離率不高,特別是它的物理形態(tài)使其在應(yīng)用和操作上的有諸多不便,限制了GAC的應(yīng)用范圍^[4]。

3.3 活性碳纖維（ACF－activated carbon fiber）

ACF是繼粉狀與粒狀活性碳之后的第三代活性碳產(chǎn)品^[3]。70年代發(fā)展起來的活性碳纖維是隨著碳纖維工業(yè)發(fā)展起來的一種新型，高效的吸附劑。

ACF是多孔碳家族中具有獨(dú)特性能的一員，與傳統(tǒng)的粒狀活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特點(diǎn)^[5]：

① ACF與GAC的孔結(jié)構(gòu)有很大的差異，如圖1和圖2所示。ACF的孔分布基本上呈單分散態(tài),主要由小于2.0nm的微孔組成,且孔口直接開口在纖維表面，其吸附質(zhì)到達(dá)吸附位的擴(kuò)散路徑短,纖維直徑細(xì)，故與被吸附物質(zhì)的接觸面積大，增加了吸附幾率，且可均勻接觸。

圖1 ACF 和GAC的孔結(jié)構(gòu)模型

圖2 ACF 與GAC的孔徑分布

圖2中：

△V/△logR— 每克吸附劑（ACF/GAC）中,吸附體積隨孔半徑變化的變化量。（ml/g·Å）

② 比表面積大，最大可達(dá)2500㎡/g，約是GAC的10~100倍；吸附容量大，約是GAC的1.5~100倍；吸附能力為GAC的400倍以上；吸附、脫附速度快，ACF對(duì)氣體的吸附數(shù)10秒至數(shù)分鐘可達(dá)平衡。

③ 孔徑分布范圍窄，絕大多數(shù)孔徑在100Å（1Å=1×10^-10m）以下，GAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有微孔、過渡孔和大孔之分，而ACF的結(jié)構(gòu)只有微孔及少量的過渡孔，沒有大孔，并且孔徑均勻，分布比較狹窄，為0.1~1nm，這是ACF吸附選擇性較好的原因。

④ ACF不僅對(duì)高濃度吸附質(zhì)的吸附能力明顯，對(duì)低濃度吸附質(zhì)的吸附能力也特別優(yōu)異，如當(dāng)甲苯氣體含量低到10ppm（1ppm＝1×10^-6，即百萬分之一，以下同）以下時(shí)，ACF還能對(duì)其吸附，而GAC必須高于100ppm時(shí)方能吸附;

⑤ 耐熱、耐酸堿;具有很強(qiáng)的氧化還原特性,可將高價(jià)金屬離子還原為低價(jià)態(tài);

⑥ 體積密度小, 濾阻小,約是GAC的1/3^[5].可吸附粘度較大的液體物質(zhì),且動(dòng)力損耗小.^[12]

而且ACF易再生，工藝靈活性大（可制成紗、布、氈和紙等多種制品）；以及不易粉化和沉降等特征，這些特征有利于吸附和脫附，使得ACF對(duì)各種有機(jī)化合物具有較大的吸附量和較快的吸、脫附速度。

吸附劑的吸附性能由吸附劑的比表面積、吸附劑的孔隙直徑來決定，其吸附性能的值log[（C₀－C）/C]可由下式計(jì)算求得^[6]：

log[（C₀－C）/C]=0.0064S－0.123D－0.935

式中：C₀—初始濃度；

C—平衡濃度；

S—吸附劑的比表面積（㎡/g）；

D—吸附劑的孔隙直徑（nm）。

由上式可見，吸附劑的比表面積越大吸附能力也越大，吸附劑的孔隙直徑越小具有的吸附能力越大。活性碳纖維最顯著的特點(diǎn)是具有發(fā)達(dá)的比表面積（1000㎡/g~3000㎡/g）和豐富的微孔，微孔的體積占總孔體積的90%以上，微孔直徑約10Å（1Å=1×10^-10m）左右，故其吸附能力大。它對(duì)硫醇類惡臭氣味化合物及苯酚和亞甲基蘭等離子具有特殊的吸附能力，且其表面具有疏水性，對(duì)水蒸氣吸附親和性小，對(duì)空氣中的有害氣體、臭氣,特別是有機(jī)化合物具有較高的去除效率，適于吸附和脫附頻繁的廢水處理和空氣凈化等。ACF被認(rèn)為是21世紀(jì)最優(yōu)秀的環(huán)境材料之一.在氣體和液體凈化,有害氣體及液體吸附處理等方面已得到廣泛應(yīng)用^[4]。

ACF是非常有發(fā)展前途的高效吸附材料，無論污染物質(zhì)是微量級(jí)還是高濃度，都可采用ACF進(jìn)行吸附處理，達(dá)到滿意效果，在很多領(lǐng)域中都將取代粒狀活性碳^[7]。

3.4 粒狀活性碳過濾器和活性碳纖維過濾器的性能對(duì)比

粒狀活性碳過濾器是以GAC為濾料的一種壓力式過濾裝置，可與離子交換軟化，除鹽設(shè)備串聯(lián)，組成處理系統(tǒng)。粒狀活性碳過濾器不僅具有普通機(jī)械過濾器過濾懸浮物的功能，同時(shí)還能去除用常規(guī)手段難以去除的游離性余氯、臭味、色度及有機(jī)物等，而且可對(duì)濾料再生，恢復(fù)其吸附性。

活性碳纖維過濾器采用活性碳纖維氈或纖維布制成，此種過濾器優(yōu)越于粒狀活性碳(GAC)過濾器。活性碳纖維過濾器除了活性碳纖維適用的范圍外，還可用于醫(yī)療保護(hù)、戰(zhàn)地施救等領(lǐng)域^[8]。

影響兩種活性碳過濾器吸附效果和使用壽命的主要因素有：污染物的種類和濃度、氣流在過濾材料中的滯留時(shí)間、空氣的溫度和濕度。使用過程中， 活性碳過濾器的阻力不變，但重量會(huì)增加，有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員可根據(jù)重量變化估計(jì)過濾器的使用壽命^[1]。

3.4.1 兩種過濾器對(duì)水的過濾

圖3所示粒狀活性碳過濾器可用于天然水和污水過濾處理。其過濾精度高，截污容量大；過濾流速高，占地面積小，水耗少；易清洗，操作簡(jiǎn)單，濾料不流失；運(yùn)行可靠，檢修方便，維護(hù)工作量??；可調(diào)性強(qiáng)，出水質(zhì)量可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整；設(shè)備價(jià)格低，不需另購濾料。

圖3 粒狀活性碳過濾器

采用活性碳纖維為主要過濾材料的凈水器,具有凈化、礦化、磁化、殺菌功能,在使用中可以定向過濾、反沖清洗。特別適用于新建樓房和水中鐵銹污染嚴(yán)重的家庭使用,可免除頻繁清潔濾材及更換濾材的煩惱，同時(shí)不同流速產(chǎn)生不同的凈化效果，過濾速度越小，廢水在吸附柱中停留時(shí)間越長(zhǎng)，凈化效果越好，反之，凈化效果下降^[9]。

與粒狀活性碳過濾器相比，活性碳纖維過濾器具有不易產(chǎn)生粉末，壓力損失小，水流速度快等特點(diǎn)，但它可能分解為除去水中細(xì)菌而加入的有效氯，導(dǎo)致水中細(xì)菌不能完全被殺除而繁殖，可利用銀離子解決細(xì)菌繁殖的問題，制成抗菌性活性碳過濾器。ACF和GAC除氯效果與水溫的關(guān)系如圖4所示^[4]。

圖4 ACF和GAC除氯效果與水溫的關(guān)系

3.4.2 兩種過濾器對(duì)氣體的過濾性能對(duì)比

活性碳空氣過濾器，不但能過濾空氣中的細(xì)微顆粒，而且對(duì)酸性氣體、堿性氣體、惡臭、甲醛、苯等苯類、酚類、醇類、酯類、醛類等有機(jī)氣體和含有微量重金屬的低濃度、大風(fēng)量的各類氣體有很好的吸附效果。主要適用于污染物濃度不高的中央空調(diào)和集中通風(fēng)系統(tǒng)。

活性碳纖維是適合用作過濾材料的活性碳,活性碳纖維用于過濾時(shí)的壓力損失小，吸附和脫吸速度快，故亦大量用于氣體的凈化。

（1）對(duì)氨氣的過濾性能對(duì)比^[6]

高強(qiáng)等人以氨氣為除臭對(duì)象，將漁網(wǎng)狀GAC過濾網(wǎng)和ACF過濾網(wǎng)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示：

除臭（氨氣）性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù) 品種初始濃度循環(huán)時(shí)間殘留濃度去除率去除率下降率ACF過濾網(wǎng)130ppm6h18ppm86.15%1.8%GAC過濾網(wǎng)130ppm6h50ppm61.53%幾乎不能再生

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，ACF過濾網(wǎng)氨氣去除率較GAC過濾網(wǎng)高，且再生性能明顯優(yōu)于GAC過濾網(wǎng)。同時(shí)ACF過濾網(wǎng)克服了GAC過濾網(wǎng)對(duì)低濃度介質(zhì)難以吸附及難以再生的缺點(diǎn)。

（2）對(duì)甲苯氣體的吸附性能對(duì)比^[10]

在范德華力的作用下，當(dāng)相距很近的相對(duì)孔壁的吸附場(chǎng)發(fā)生疊加，引起微孔內(nèi)吸附勢(shì)的增加，因此在很低的相對(duì)壓強(qiáng)（低濃度）和較短的時(shí)間內(nèi)就基本完成吸附，也就是說，低濃度下吸附量高，如圖5所示。

圖5 低濃度下ACF和GAC吸附甲苯的性能比較

（3）活性碳過濾器對(duì)SO₂、NO_x、CO、 CO₂的過濾^[11]

活性碳纖維過濾器的阻力與風(fēng)道風(fēng)速成直線關(guān)系；對(duì)SO₂、NO_x的去除效率隨

過濾器的風(fēng)量而變化。并隨去除時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，最后逐漸趨于平緩趨勢(shì)。活性

碳纖維過濾器的最佳濾速不隨污染濃度的改變而變化。

活性碳纖維過濾器對(duì)CO、CO₂幾乎無去除效果。這主要是由活性碳纖維的性質(zhì)和CO、CO₂的特點(diǎn)所決定的，SO₂、NO_x氣體極性強(qiáng),易被活性碳纖維吸附，而CO、CO₂極性弱并與活性碳上的極性鍵有相斥作用，故CO、CO₂不能被活性碳纖維去除。經(jīng)研究表明，經(jīng)氧化及鐵處理后，ACF對(duì)CO的吸附能力可大大提高^[4]。

4．市場(chǎng)展望

在物質(zhì)文明和科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，隨著人們對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量要求提高，空氣過濾技術(shù)也迅速地發(fā)展起來，性能卓越的活性碳纖維過濾器由于過濾時(shí)具有壓力損失極小，吸附與脫吸速度快，耐振動(dòng)，不產(chǎn)生粉塵，可再生，無污染等優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必將得到大力的推廣和應(yīng)用。 我國活性碳纖維過濾器的開發(fā)還僅處于初始階段,其應(yīng)用領(lǐng)域還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有打開,在水處理,空氣凈化,化學(xué)物質(zhì)的吸附應(yīng)用方面其市場(chǎng)開發(fā)的潛力極大.隨著環(huán)境保護(hù)各項(xiàng)法規(guī)的進(jìn)一步建立、完善和綠色化學(xué)時(shí)代的到來, 活性碳纖維過濾器必將呈現(xiàn)光明的發(fā)展前景^[12].

SARS的到來及禽流感疫情的爆發(fā)，對(duì)空氣過濾行業(yè)是一次大的挑戰(zhàn)，更是一次難得的機(jī)遇，它使得抗菌活性碳纖維過濾器具有了廣闊的市場(chǎng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，簡(jiǎn)單的活性碳纖維也已經(jīng)不能滿足人們的生活需求，納米光催化活性碳纖維將是一個(gè)新的發(fā)展領(lǐng)域，有關(guān)這方面的研究有待深入研究。

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作者簡(jiǎn)介：

趙麗寧，女，1978年10月生 在讀碩士研究生 西安工程科技學(xué)院123# 郵編 710048；電話: 029-88046010 029-82347289 ；E－mail: zhaolining144@yahoo.com.cn