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用活性炭改善室內空氣品質的機理
活性炭吸附材料對室內氣態污染物具有優秀的吸附性能,活性炭過濾器逐漸應用于民用建筑空調系統中。本文簡要介紹了活性炭的發展歷史、分類、結構、性質,以及活性炭吸附室內污染物的物理和化學作用機理；同時對活性炭所去除的污染物種類也作了簡要概括。
關鍵詞：活性炭 空氣品質 物理吸附 化學吸附
1 室內空氣品質
隨著科學技術的飛速發展，人類在生活居室環境方面獲得了巨大的改善。空調的廣泛使用給人們創造了一個以溫濕度為主的舒適性環境，但同時也帶來了室內空氣品質問題，尤其是無新風系統的空調房間，導致了“病態建筑綜合癥”、“建筑相關病”和多種化學物過敏癥。“病態建筑綜合癥”的常見癥狀主要有頭痛、神經疲勞、皮膚干燥、鼻塞、流鼻涕、流淚、眼癢等等。“建筑相關病”是指由空氣中的某種成分直接引起的病癥，比較嚴重的有“軍團病”、“超敏性肺炎”等，有時甚至能帶來生命危險。
所謂室內空氣品質，一般是指在某個具體的環境內，空氣中的某些要素對 人群工作、生活的適宜程度，是反映了人們的具體要求而形成的一種概念。這種概念是建立在“以人為本”的基礎上的。顯然，人們不僅要求適宜的室內溫濕度，而且人們還要求室內空氣是新鮮的，無污染的，從而引發了對室內空氣品質的廣泛研究。
室內空氣基本污染物與污染源如下：
表一 室內主要污染物及其來源
污 染 物 污 染 源
懸浮微粒 燃燒、抽煙、人體
煙草煙霧 人的吸煙行為
石棉 保溫材料
氡及其蛻變物 墻體和地基
甲醛 建筑材料、家具
揮發性有機物（VOCs） 油漆、清潔劑、建筑材料
一氧化碳 燃燒、吸煙
二氧化碳 燃燒、呼吸
微生物 家畜、人體
過敏物 動物、毛發、昆蟲、花粉
臭氧 現代電子辦公用品

室內空氣有害物的種類繁多，但一般都是以低濃度的形式存在，有時還遠遠低于人的嗅覺閾值，但這并不意味著人體無害，恰恰相反，人一生中有五分之四的時間在室內度過，長期受低濃度污染物的直接毒害，其后果還是相當嚴重的。
為了清除室內空氣中的有害物質，通風是一種非常有效的辦法，但是它也有缺點：在室外大氣污染日趨嚴重的今天，燃料的燃燒、工業生產及機動車輛排放的廢氣使得室外空氣的質量也很差，而且室外空氣與室內空氣的交換會帶來巨大的能耗。局部通風有時也因為污染源較分散或根本就不知道氣態污染物從何而來而無法實現。目前通用的過濾器只是過濾灰塵，還不具備清除有害氣體和細菌的功能。成功分離低濃度的氣態污染物質和細菌對改善室內陸空氣品質至為重要。活性炭吸附材料對室內氣態污染物具有優秀的吸附性能，使活性炭過濾器逐漸應用于民用建筑空調系統中。在通風量不變的條件下，它能使室內空氣得到更全面的凈化。
2 活性炭的發展歷史及分類
使用活性炭作為一種吸附材料已具有悠久的歷史。早在古埃及時代，人類就會利用木炭來消除傷口散發的氣味；1773年，謝勒首次科學地證明了木炭對氣體具有吸附力；1808年，木炭被用到蔗糖業；第一次世界大戰期間，為了消除化學武器的威脅，活性炭防毒面具問世，這是活性炭第一次應用于空氣凈化領域；上個世紀六十年代，具有獨特化學結構、物理結構且吸附性能優異的新型纖維狀活性炭材料研制成功。目前對吸附材料的研究集中于非均勻吸附劑的加工工藝、微觀特征、能量不均勻性及吸附性能等。
活性炭種類很多，因其原料、用途、性能、形狀不同，彼此間差別很大，分類的方法也很多。按外部形狀分類，可分為粉狀活性炭、顆粒活性炭、纖維活性炭。纖維活性炭是在碳纖維的基礎上研制和開發的新產品，在日本主要以有機化合物為原料，纖維活性炭的細度僅為頭發的1/3左右。我國已有用石油瀝青作原料研制出優質纖維狀活性炭的報道。從原料分類，可分為煤炭原料、植物原料、石油原料、塑料等。按用途分類，可分為氣相吸附、液相吸附、工業催化活性炭。空氣凈化主要用氣相吸附，要求微孔發達。
3 活性炭的結構和性質
活性炭結構比較復雜，既不象石墨、金剛石那樣碳原子按一定的格局排列，又不象一般含碳物質那樣含有復雜且多樣的有機物，有著龐大的分子結構。它有著自己的獨特結構。它由排列成六角形的碳原子平面層組成，但是這些平面不是完全沿共同的垂直軸排列而是一層與一層的角位移雜亂而無規律，這種結構叫“螺層狀結構”。在活化過程中，基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無序碳這樣便產生了空隙。所剩余的碳之間堆積相當疏松，但相互的聯結卻相當牢固。因此各微晶之間才有許多形狀不同，大小不等又有一定強度的空隙，按孔徑大小一般分為大孔、中孔和小孔。1972年國際精細應用化學聯合會原蘇聯學者杜賓寧依據活性炭的物理性能把三種空隙的分類作了具體的規定。活性炭90%的表面積都在微孔上，所以微孔是決定其吸附性能的重要因素。
表二 活性炭孔隙分類
孔型 聯合會規定的孔隙直徑（nm）
微孔 <2.0
中孔 2.0～50
大孔 >50

在活性炭的吸附過程中，這三種孔隙各有其特殊功能。對吸附來說，微孔是最重要的，它的比表面積可達幾百甚至上千㎡/g，孔容也比較大。微孔在很大程度上決定著活性炭的吸附能力。
活性炭的吸附特性不僅取決于它的孔隙結構，而且取決于它的化學組成。由于基本微晶在活化時，一部分被燒掉，受到不完整石墨層的干擾改變了碳骨架電子云的排列，出現了不完全飽和價或成對電子直接影響著活性炭的吸附特性。另一影響活性炭吸附特性的是結構中的雜原子。活性炭中的雜原子有兩種來源：一種是以化學結合的元素形成的，如氧和氫，這些元素一般來源于原材料，在炭化時不能完全分解遺留下來的，有的則是活化時，和活化劑進行化學反應結合在表面上的。另一種是灰分，這些灰分主要來源于活性炭的原材料，也有少數是生產過程帶入的。灰分使活性炭的微晶結構產生缺陷，氧被化學吸著于這些缺陷上，從而提高了活性炭對極性分子的吸附作用。灰分的存在對氣體吸附（如二氧化硫、水蒸氣、醋酸等）也有直接影響。
在活性炭中加入某些無機化合物（如ALCL3、NaOH、CuO等）可使活性炭改性，吸附性能發生了某些明顯的變化。對某些物質的吸附也可產生奇特的效果。
氧和氫的存在對活性炭的吸附性能影響較大，它們以化學鍵與碳原子結合，是活性炭結構的有機部分。它們是優良活性炭的重要組分。按照固體表面多相理論，氧、氫和其他雜原子結合在微晶的邊緣和角上的碳原子上，因為這種碳原子不完全飽和，反應性較高。
在所有結合的元素中，氧比其他元素更引起人們的重視。因為氧對活性炭基本微晶的排列及大小有重大影響。這種表面結合的氧對水蒸氣和其他極性或可極化氣體的吸附能力有重大影響。