活性炭除醛技术的研究进展

张祥爱，杜文琴



活性炭除醛技术的研究进展

张祥爱，杜文琴

（五邑大学 广东省高校功能性纺织品工程技术研究中心，广东 江门 529020）

甲醛是室内空气主要污染物之一，是致癌和致畸物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一，活性炭吸附作为一种简单有效的方法广泛应用于室内除醛. 本文主要综述了活性炭除醛的影响因素以及活性炭除醛新技术，并展望了活性炭新除醛技术的发展方向和应用前景.

室内污染物；活性炭；除醛技术

在最近的几十年里，由于人们越来越多地使用合成建筑材料和人造板材家具，导致室内空气中挥发性有机物的浓度超标，并严重危害到居民的身心健康. 作为室内主要污染源的甲醛，即使浓度很低，也可能引发鼻炎、咽炎、肺气肿、肺癌等疾病，甚至导致死亡，因此有必要采取有效措施消除甲醛[1]. 活性炭具有较大的比表面积和较丰富的微孔结构，被广泛用于室内除醛. 随着各种除醛理论研究的不断深入，除醛方法日益增多，如将活性炭进行改性或与其他除醛技术联用的新除醛技术等. 然而关于此类研究暂未见比较全面的介绍，本文综述了相关文献，主要介绍了活性炭除醛的原理、影响因素以及活性炭除醛新技术，并展望了活性炭除醛新技术的发展方向和应用前景.

1 活性炭除醛的原理及影响因素

表1 甲醛暴露与健康效应的剂量反应关系

表1 甲醛暴露与健康效应的剂量反应关系

甲醛浓度/（）人体反应甲醛浓度/（）人体反应 0.00～0.05无刺激和不适0.1～25上呼吸道刺激反应 0.05～1.00臭阈值5.0～30呼吸系统和肺部刺激反应 0.05～1.50神经生理学影响50～100肺部水肿及肺癌 0.01～2.00眼睛刺激反应>100死亡

1.1 活性炭除醛原理

活性炭是以果壳、木屑、褐煤等含碳物质为原料经过碳化和活化而制得的，具有多孔、比表面积大的特性，一般有颗粒状和粉状两种形态：颗粒状的粒径一般为，粉末状的粒径一般为. 活性炭吸附包括物理吸附和化学吸附两种吸附方式. 物理吸附是活性炭通过较弱的范德华力将污染物分子吸附到其表面，因此也称范德华吸附，这是一种可逆的吸附过程，被吸附的污染物的化学性质保持不变. 化学吸附是因为活性炭表面具有一些化学基团，能与污染物分子之间进行电子的共享或交换而产生化学反应，这是不可逆的吸附过程.

吸附法除醛是比较简单且有效的除醛方法，活性炭由于存在较发达的微孔结构和较大的比表面积，很早就被应用于除醛. 活性炭除醛主要是以物理吸附为主，即依靠其较大的比表面积和发达的孔隙结构，最大程度地接触周围空气，被动吸附甲醛分子到自己的孔隙里面. 活性炭物理吸附甲醛的过程包括3步：1）外扩散，即空气中的甲醛分子以对流扩散的形式传递到活性炭的外表面；2）内扩散，即甲醛分子从活性炭的外表面进入其微孔内，然后扩散到活性炭的内表面；3）表面吸附过程，即甲醛分子在活性炭内表面上被吸附. 实际上，在物理吸附的同时，也会因活性炭表面含有的某些含氧基团而对甲醛产生化学吸附，如酚类会与甲醛分子缩合得到亚甲基化合物.

活性炭的除醛效果一般用吸附能力和吸附速率来描述，其吸附效果由极限吸附量和吸附速率决定. 极限吸附量反映了活性炭吸附甲醛的能力的大小. 活性炭吸附甲醛的过程是一个动态的过程，当单位时间内被吸附的甲醛分子的数量与逸出的甲醛分子数量相等时，吸附达到了动态平衡. 吸附平衡后的吸附量即为活性炭对甲醛极限吸附量. 吸附速率为单位时间内、单位重量活性炭能吸附的甲醛质量，吸附过程中的传质速率与气、固两相的物质性质以及甲醛在气相中的浓度有关.

1.2 影响活性炭除醛的因素

研究发现，材质、生产工艺、粒径、孔结构及表面官能团等因素都会影响活性炭的除醛效果.

不同材质的活性炭，因其结构不同除醛效果也有一定的差异，对甲醛的吸附性能次序为：椰壳>果壳>煤质>木质；李晓强等[3]通过扫描电子显微镜发现，椰壳活性炭微孔丰富，是吸附甲醛较为理想的炭型.

生产工艺对不同材质活性炭的除醛效果有一定的影响. 林莉莉[4]研究发现，生产工艺对煤质炭的除醛效果有较大的影响，如采用柱状生产工艺的煤质炭除醛效果最好，而生产工艺对椰壳炭、木质炭的除醛效果没有太大影响. 另外，生产工艺中所使用的活化剂、活化温度对活性炭除醛的效果也有影响[5].

活性炭颗粒的大小会影响气体的扩散速率和接触面积，对其吸附性能会产生一定的影响. 活性炭越小，其吸附性能越好. 但其粒径并非越小越好，相关研究表明，20～40目是活性炭吸附甲醛的最佳粒径[6].

活性炭对甲醛气体的吸附性能与其比表面积和孔结构有关. 汤进华等[7]研究不同比表面积和孔结构的活性炭对甲醛的吸附性能发现，起吸附作用的主要是微孔，中孔能加快吸附速率.

活性炭表面的官能团也会对其除醛效果产生一定的影响，例如表面含有氨基官能团的活性炭除醛效果会优于单纯的活性炭[7].

2 活性炭除醛新技术

2.1 活性炭改性

粒径、孔结构及表面官能团等都会影响活性炭的除醛效果，因此可通过改性来改善其除醛效果. 能有效增强活性炭除醛效果的改性方法主要有以下几种：

1）表面物理结构的改性. 活性炭最容易吸附比其孔隙直径大3～4倍的分子，且比表面积也会影响其吸附性能，因此对活性炭表面进行物理改性，调控孔隙结构、扩大比表面积可增强其对气相甲醛的吸附效果[8].

2）表面化学结构的改性. 主要是通过引入或消去某些表面官能团以改变活性炭表面的酸碱性，从而使其具有特定的吸附或催化性能. 如，HNO3/H2SO4处理活性炭可以使其表面氨基化，通过表面氨基与甲醛发生反应可提高吸附甲醛的效果；随着温度的升高，氨基与甲醛反应的速度加快，除醛效果更好. 王彬等[9]采用硝酸氧化活性炭并探讨了其吸附甲醛的行为，发现经硝酸表面改性后，活性炭的孔结构、孔表面化学性质都发生了改变，有利于其吸附甲醛气体[10]. 孙康等[11]以苯胺为氮源，在活性炭表面原位聚合、炭化制备了掺氮活性炭，探讨了苯胺添加量对甲醛平衡吸附量的影响，结果表明，掺氮活性炭孔隙周围的电子云密度增大，有利于对气相甲醛的吸附. LI J等[12]采用注入有机硅烷/甲醇溶液的方法对活性炭进行改性，并研究了相对湿度对其吸附甲醛性能的影响，结果表明，由于有机硅烷能增强甲醛分子与活性炭表面的相互作用，经改性后的活性炭的吸附作用明显优于未改性的；但是相对湿度增大，由于水分子与甲醛分子的竞争，活性炭对甲醛的吸附能力降低.

3）负载金属改性. 黄海保等[13]采用硼氢化钠液相还原法将纳米铂负载到活性炭表面，探讨了不同载铂量对甲醛去除率的影响，结果表明，载铂量为0.5%时，后甲醛去除率高达98.2%. 吴佳雯以活性炭为载体，用不同浓度的高锰酸钾溶液和硝酸银溶液分别制备载氧化锰活性炭和载纳米银活性炭，结果表明，二者对甲醛的吸附效果均比活性炭高，内吸附率均在90%以上，其中载氧化锰活性炭在短时间内吸附效率略高于载纳米银活性炭. Shin等[14]发现纳米银颗粒为时，载银活性炭的除醛效果最佳.

2.2 活性炭与化学催化联用

单一的光催化除醛一般采用廉价无毒、耐紫外光腐蚀、无二次污染的、、等金属氧化物，但该技术仅能在紫外光下使用，有一定的局限性. 将光催化与活性炭联用除醛既能利用二者的优点，又能规避各自的缺点，是目前使用较多的联合除醛手段.

Shiraishi F等[15]研制了一种新型的空气净化系统，该系统由光催化反应器和具有吸附-解吸功能的装置组成. 光催化反应器是9个荧光灯排成方阵的小盒子，吸附-解吸装置则由蜂巢状的载有活性炭的罗拉组成. 测试结果表明，这是迄今为止研制的能在内把空气中甲醛浓度降至WHO规定浓度以下，且在后能将空气中甲醛浓度降为0的空气甲醛净化系统. 这种高效的净化性能归功于活性炭罗拉对空气中甲醛的快速吸附以及光催化反应器对解吸出来的甲醛的催化降解.

目前，国内学者多致力于活性炭与化学催化联用除醛技术的实验室研究. 如，柳思明等[16]研究了纳米TiO2/活性炭复合催化降解甲醛的特性. 结果表明，负载量为1%时除醛效果最好，经过，除醛率达到61.7%，且其降解过程不会产生二次污染.

2.3 活性炭与等离子体联用

等离子体催化降解甲醛技术具有能耗低、效率高、副产物少等优点，可以将其与活性炭吸附相结合以增强活性炭除醛的效果[17]. 不过关于活性炭与等离子体联用技术的研究还比较少见.

2.4 活性炭与生物试剂联用

杨光俊等[18]将青柿子粉负载到活性炭上，研究载有青柿子粉的活性炭对甲醛的吸附反应特性，并探讨了其最佳吸附条件. 实验结果表明，载有青柿子粉的活性炭能有效吸附甲醛，最佳条件为：青柿子粉用量，pH=1.0，反应温度30℃，反应时间.

3 结论与展望

活性炭具有较丰富的微孔结构和较大的比表面积，应用于有害气体的净化去除具有高效、廉价、环保的优点. 目前活性炭除醛技术已经比较成熟，未来活性炭除醛发展的技术路线有两种：一是改性活性炭除醛技术，即通过物理化学改性，改变活性炭表面基团或者增大其比表面积；二是活性炭与其他技术手段联合，例如活性炭与光催化联合、活性炭与等离子体联合等. 但是，国内对活性炭与其他手段联用技术的理论研究还不够深入，缺乏具体的数学模型. 另外，由于空气污染物比较复杂，不可能是单一的甲醛气体，为了接近实际的室内污染环境，以后的研究可以尝试用活性炭处理多种室内污染物的混合气体.

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[责任编辑：熊玉涛]

Research Progress in Removal of Formaldehyde by Activated Carbon

ZHANGXiang-ai, DUWen-qin

(Guangdong Higher Education Institutes Engineering Technology Research Center for Functional Textiles, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Formaldehyde, one of the main pollutants in the air, can not only cause cancer and deformity but also is a recognized allergy source and one of the potential mutagens. Removal of indoor formaldehyde is widely employed to solve the increasing indoor air contamination by formaldehyde. The influence factors and new technology of formaldehyde removal by activated carbon (AC) are summarized this paper and the development direction and application potential are also discussed.

indoor pollutants; activated carbon; formaldehyde removal technology

1006-7302（2015）03-0027-05

X512

A

2015-01-29

张祥爱（1989—），女，广东潮州人，在读硕士生，主要研究方向为纺织功能材料；杜文琴，教授，硕士生导师，通信作者，研究方向为纺织功能材料及新技术研究.