空气净化技术

6．3空气净化技术室内环境对人体健康的影响越来越大，已引起社会的广泛关注。

因此，各类空气净化产品不断出现。

本节介绍几种目前常用及未来可能在室内空气净化设备中采用的净化技术。

6．3．1 吸附技术室内空气中污染物的成分复杂，对于低浓度的有机及无机污染物、氡等．可采用吸附的办法脱除11“一卜川1。

6．3．1．1 吸附净化原理由于固体表面上的分子与固体内部的分子所处的位置不同，固体表面上的分子处于力不平衡或不饱和状态，这种不饱和导致固体表面能够把与其接触的气体分子吸引到自己的表面h平衡其残余力。

固体表面发生的这种物质浓缩的现象就是吸附现象．被吸附到固体表面的物质称为吸附质，吸附质所依附的固体物质称为吸附剂。

吸附净化技术的原理就是让含污染物(吸附质)的空气流过多孔介质(吸附剂)，其中的污染物会因吸附而滞留于多孔介质之中，而空气得到净化。

根据吸附作用力的不同．吸附可分为物理吸附和化学吸附。

(1)物理吸附由分子问的引力或范德华力引起的吸附称为物理吸附。

固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间引力，当固体和气体的分子引力大于气体分子之间的引力时，即使气体的压力低于与操作温度相对应的饱和蒸气压．气体分子也会冷凝在固体表面』二。

这种吸附的速度极快。

物理吸附不发生化学反应．因此它的吸附热较低，一般只有20kJ／tool左右．只相当于相应气体的液化热。

也正是由于物理吸附不发生化学反应．因此选择性极低．或者说没有选择性。

物理吸附只在低温下才较显著，吸附量随温度的升高而迅速减少．FL与表面的大小成比例。

物理吸附属纯分子间引力吸附．有很大的可逆性．当吸附条件改变时．如降低被吸附气体的分压或升高系统的温度．被吸附的气体很容易从吸附剂表面逸出，此种现象称为脱附根据l_史．特件可以对失效的吸附帮I讲行再牛，同时可以回收被吸附的物质。

附．，根据这．特性可以对失效的吸附剂进行再生，同时可以回收被吸附的物质。

(2)化学吸附由固体表面与吸附气体分子间的化学键力所产生的气体吸附称为化学吸附。

化学吸附的作用力远大于物理吸附的范德华力。

由于有化学反应发生，化学吸附所放出的吸附热比物理吸附所放出的热大得多，达到了化学反应热的数量级，一般为80～400kJ／tool。

化学吸附具有很高的选择性．且化学吸附往往是不可逆的。

另外脱附后．脱附的物质往往与原来的物质不一样，发生了化学变化。

由于化学吸附中伴有化学反应发生，因此，化学吸附宜在较高温度下操作，且吸附速度随着温度的升高而增加。

应当指出，同一物质在较低温度下可能发生的是物理吸附，而在较高温度下所发生的往往是化学吸附．即物理吸附常发生在化学吸附之前，到吸附剂逐渐具备足够高的活性，才发生化学吸附．亦可能两种吸附方式同时发生。

6．3．1．2 吸附剂吸附剂通常是多孔性固体物质，具有很高的选择性，能分开其他方法难以分开的混合物，所以吸附技术特别适合于室内空气中低浓度的挥发性有机化合物，如氨、HzS、S()z、N()，和氡气等有害气体的净化。

(1)对吸附剂的要求用于空气净化的吸附剂应满足以下要求。

①要有巨大的内表面积和大的孑L隙率吸附剂必须具有高度疏松结构和巨大的暴露表面。

只有这样，才能给吸附提供很大的表面。

吸附剂的有效表面包括颗粒的外表面和内表面，而内表面总是比外表面大得多，例如硅胶的内表面积高达600m2／g，活性炭的内表面积可高达1000m2／g。

②对不同气体具有选择性的吸附作用应用吸附剂的目的，就是为了对某些气体组分有选择地吸附，从而达到分离气体混合物的目的。

因此要求所选的吸附剂对所要吸附的气体具有很高的选择性。

例如活性炭吸附二氧化硫(或氨)的能力，远大于吸附空气的能力。

故活性炭能从宅气与二氧化硫(或氨)的混合气体中优先吸附二氧化硫(或氨)，使空气得到净化。

③吸附容量要大吸附容量是指在一定温度和一定吸附质浓度的条件下，单位质量(或体积)的吸附剂所能吸附的最大吸附质质量。

影响吸附容量大小的因素很多，包括吸附剂的表面，孔隙率和孔径分布．还与分子的极性以及吸附剂分子上官能团的性质等有关。

④有足够的机械强度。

④有足够的机械强度。

⑤良好的热稳定性及化学稳定性。

⑥来源广泛．价格低廉。

(2)常用吸附剂可用于室内空气净化的吸附剂有活性炭、活性氧化铝、硅胶和沸石分子筛。

其物理性质及其应用如表6—8和表6—9所示。

①活性炭活性炭是许多具有吸附性能的碳基物质的总称，木炭可以被认为是一种吸附能力很低的活性炭。

活性炭的原料是几乎所有的含碳物质。

如煤、木材、骨头、果核、坚硬的果壳(如椰壳、核桃壳等)，以及废纸浆、废树脂等，将这些含碳物质在低于878K 下进行炭化，再用水蒸气或热空气进行活化处理，即可得到活性炭。

氯化锌、氯化镁、氯化钙、磷酸等也可用作活化剂。

活性炭经过活化处理，比表面积一般可达700～1000m2／g，具有优异和广泛的吸附能力，可以用来吸附有机蒸气、恶臭物质或其他有害气体。

②活性氧化铝活性氧化铝是将含水氧化铝(如铝土矿)在严格控制的加热速率下于773K加热制成的多孔结构的活性物质。

根据晶格构造，氧化铝可分为CC型和y型。

具有吸附活性的主要是7型，尤其是含一定结晶水的7一氧化铝，吸附活性很高。

品格类型的形成主要取决于焙烧温度，若三水铝石在773～873K温度下焙烧，所得氧化铝即为含有结晶水的7型活性氧化铝，温度超过1173K，开始变成Q型氧化铝，吸附性能急剧下降。

活性氧化铝是一种极性吸附剂，无毒，对水的吸附容量很大，常用于高湿度气体的吸湿和干燥。

它还用于多种气态污染物如S02、H2S、含氟废气、NO，以及气态碳氢化合物等废气的净化。

活性氧化铝机械强度好，使用寿命长，还可作催化剂的载体。

③分子筛最早的分子筛是从自然界中发现的，自1756年到现在已陆续发现36种之多。

这种天然分子筛是一种结晶的铝硅酸盐，因其加热熔融时可起泡“沸腾”，因此又被称为沸石(Zeolite)或泡沸石，又因其内部微孔能筛分大小不一的分子，故又名分子筛或沸石分子筛，其化学分子式为Me，X／N。

[(A1203)，(Si()2)，]·mH20，式中X／N是价数为挖的金属阳离子Me的数目；Ⅲ是结晶水的分子数。

目前人工合成的沸石分子筛已超过百种。

根据孔径大小，以及SiO2与A12 03的分子比的不同，分子筛有不同的型号，如3A(钾A型)、4A(钠A型)、5A(钙A型)、10X(钙X型)、13X(钠X型)、Y(钠Y型)、钠丝光沸4A(钠A型)、5A(钙A型)、10X(钙X型)、13X(钠X型)、Y(钠Y型)、钠丝光沸石等。

与其他吸附剂相比分子筛的优点是：a．吸附的选择性强，这是由于分子筛的孔径大小整齐均一，又是一种离子型的吸附剂，因此它能根据分子的大小及极性的不同进行选择性吸附；b．吸附能力强。

即使气体的组成含量很低，仍然具有较大的吸附能力；C．高温吸附能力强，在较高的温度下，仍然具有较大的吸附能力，而其他吸附剂的吸附能力却受温度的影响很大。

④硅胶硅胶是一种硬而多孔的固体颗粒，其分子式为si()2·订H20。

将水玻璃(硅酸钠)溶液用无机酸处理后所得凝胶，经老化、水洗去盐，于398～408K F干燥脱水，即得到坚硬多孔的固体颗粒硅胶。

硅胶的孔径分布均匀，亲水性极强，吸收空气中的水分可达自身重量的50％，硅胶常用作吸湿剂(干燥剂)，在用作干燥剂时常加入氯化钴或溴化铜，以指示吸湿程度。

硅胶是一种极性吸附剂，可以用来吸附SOz、NO，等气体，但难于吸附自身重量的50％，硅胶常用作吸湿剂(干燥剂)，在用作干燥剂时常加入氯化钴或溴化铜，以指示吸湿程度。

硅胶是一种极性吸附剂，可以用来吸附S02、NO，等气体，但难于吸附非极性的有机物．硅膝环可用作催化剂的载体。

⑤活性炭纤维普通活性炭分为颗粒状活性炭(粒炭)和粉状活性炭(粉炭)，气体吸附多用粒炭，因其阻力小，而粉炭多用于液体的脱色处理。

近几十年来又出{现了活性炭纤维（activated carbon fiber，ACF)，它是一种新型的高性能活性炭吸附材料。

活性炭纤维是利用超细纤维如黏胶丝、酚醛纤维或腈纶纤维等制成毡状、绳状、布状等，经高温(1200K以}：)炭化·再用水蒸气活化后制成。

如图6-1 9所示。

例6—19 活件炭纤维‘活性炭纤维的比表面积比粒状活性炭火。

由于基材、浸渍处理及活化条件的不同，活性炭纤维的孑L结构参数也不同。

因为活性炭纤维的比表面积大．同时具有大量微孔结构的特征，使得吸附质在活性炭纤维内扩散阻力小，吸附速度快。

另外活性炭纤维的外表面积比粒状活性炭大。

有关资料报道，活性炭纤维的外表面积比粒状活性炭的大1()()倍以上．两者的体积密度相差1 0倍，因此与粒状活性炭相比，活性炭纤维有更多的微孑L盲接与吸附质接触，而且吸附质直接暴露于纤维表面进行吸附和解吸．因而也能更快达到吸附平衡而更有效地利用微孑L。

在同样的比表面积时，活性炭纤维比粒状活件炭对吸附质的吸附能力更高，而且吸附低含量的．以至痕量的吸附质时也．更有效。

二者的比较见表6 10。

由于活性炭纤维具有优异的结构特征以及良好的吸附性能，人们利用活性炭纤维设计并制倍了各种啦附婪詈刘艳华等编著.室内空气质量检测与控制.化学工业出版社,2013.03.。