粒状活性碳过滤器与活性碳纤维过滤器的性能比较

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简介： 化学过滤器可以处理空气中的气溶胶、有害气体，还可以起到杀菌、消毒的作用。实际中最常用的化学过滤器是活性碳过滤器。本文重点对粒状活性碳过滤器和活性碳纤维过滤器在过滤水和空气时的性能进行了对比，同时对比了粒状活性碳和活性碳纤维的特性及结构，并说明了活性碳纤维具有粒状活性碳不可比拟的优点。并对活性碳纤维过滤器的发展前景进行了展望，从而指出了活性碳纤维过滤器的经济性及其推广的可能性和必然性。
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1.引言

随着经济的发展，人们对环境污染问题的重视程度及室内空气品质要求的不断提高，传统的只对可吸入颗粒物起作用的空气过滤器已经不能满足人们的要求，于是化学过滤器便应运而生，这是因为它可以清除空气中的气体污染物。随着工业的发展和城市的不断扩大，我们身边有害气体的浓度也在增加，而人们对空气的洁净度要求却在逐年提高，于是人们对化学过滤器的需求量也就在逐年增加。

2.化学过滤器

化学过滤器过滤原理是：有选择的吸附有害气体分子，而不是像普通过滤器那样机械地清除杂质。在通风和空调领域，化学过滤器使用活性碳作为主要过滤材料^[1]。

活性碳材料中有大量肉眼看不见的微孔，其中绝大部分微孔的孔径在5~500Å（1Å=1×10^-10m）之间，单位材料中微孔的内部总比表面积可高达700~2300㎡/g^[1]。通常1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积，其单位为㎡/g。一般来说，比表面积大，活性大的多孔物质，其吸附能力强。

根据材料的处理方法，活性碳吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附没有明显的化学反应，它主要依靠范德华力（Vander Waals）。化学吸附是经过化学处理而使材料与有害气体产生化学反应的吸附，它的原理是：活性碳靠范德华力抓到气体分子，材料上的化学成分与污染物起反应，生成固体成分或无害的气体^[1]。

3.粒状活性碳过滤器及活性碳纤维过滤器

3.1 活性碳（AC－activated carbon）

活性碳，是一种具有多孔结构和大的内部比表面积的材料。由于其大的比表面积、微孔结构、高的吸附能力和很高的表面活性而成为独特的多功能吸附剂，且其价廉易得，部分还可再生活化，同时它可有效去除废水、废气中的大部分有机物和某些无机物，所以它被世界各国广泛地应用于污水及废气的处理、空气净化、回收稀有金属及溶剂等环境保护和资源回收等领域。

活性碳分为粒状活性碳、粉末活性碳及活性碳纤维，但是由于粉末活性碳有二次污染且不能再生赋活而被限制利用^[2]。

3.2 粒状活性碳（GAC－granular activated carbon）

GAC的85%~90%用于水处理和气体吸附处理，它的粒径为500～5000μm，GAC的孔结构一般是具有三分散态的孔分布,既具有按国际纯粹与应用化学会(IUPAC)分类的孔径大于50 nm的大孔,也有2.0～50nm的中孔（过渡孔）和小于2.0nm的微孔^[3]。

由于GAC的孔状结构所致,它的吸附速度较慢,分离率不高,特别是它的物理形态使其在应用和操作上的有诸多不便,限制了GAC的应用范围^[4]。

3.3 活性碳纤维（ACF－activated carbon fiber）

ACF是继粉状与粒状活性碳之后的第三代活性碳产品^[3]。70年代发展起来的活性碳纤维是随着碳纤维工业发展起来的一种新型，高效的吸附剂。

ACF是多孔碳家族中具有独特性能的一员，与传统的粒状活性碳（GAC）相比，ACF具有以下特点^[5]：

① ACF与GAC的孔结构有很大的差异，如图1和图2所示。ACF的孔分布基本上呈单分散态,主要由小于2.0nm的微孔组成,且孔口直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短,纤维直径细，故与被吸附物质的接触面积大，增加了吸附几率，且可均匀接触。

图1 ACF 和GAC的孔结构模型

图2 ACF 与GAC的孔径分布

图2中：

△V/△logR— 每克吸附剂（ACF/GAC）中,吸附体积随孔半径变化的变化量。（ml/g·Å）

② 比表面积大，最大可达2500㎡/g，约是GAC的10~100倍；吸附容量大，约是GAC的1.5~100倍；吸附能力为GAC的400倍以上；吸附、脱附速度快，ACF对气体的吸附数10秒至数分钟可达平衡。

③ 孔径分布范围窄，绝大多数孔径在100Å（1Å=1×10^-10m）以下，GAC的内部结构有微孔、过渡孔和大孔之分，而ACF的结构只有微孔及少量的过渡孔，没有大孔，并且孔径均匀，分布比较狭窄，为0.1~1nm，这是ACF吸附选择性较好的原因。

④ ACF不仅对高浓度吸附质的吸附能力明显，对低浓度吸附质的吸附能力也特别优异，如当甲苯气体含量低到10ppm（1ppm＝1×10^-6，即百万分之一，以下同）以下时，ACF还能对其吸附，而GAC必须高于100ppm时方能吸附;

⑤ 耐热、耐酸碱;具有很强的氧化还原特性,可将高价金属离子还原为低价态;

⑥ 体积密度小, 滤阻小,约是GAC的1/3^[5].可吸附粘度较大的液体物质,且动力损耗小.^[12]

而且ACF易再生，工艺灵活性大（可制成纱、布、毡和纸等多种制品）；以及不易粉化和沉降等特征，这些特征有利于吸附和脱附，使得ACF对各种有机化合物具有较大的吸附量和较快的吸、脱附速度。

吸附剂的吸附性能由吸附剂的比表面积、吸附剂的孔隙直径来决定，其吸附性能的值log[（C₀－C）/C]可由下式计算求得^[6]：

log[（C₀－C）/C]=0.0064S－0.123D－0.935

式中：C₀—初始浓度；

C—平衡浓度；

S—吸附剂的比表面积（㎡/g）；

D—吸附剂的孔隙直径（nm）。

由上式可见，吸附剂的比表面积越大吸附能力也越大，吸附剂的孔隙直径越小具有的吸附能力越大。活性碳纤维最显著的特点是具有发达的比表面积（1000㎡/g~3000㎡/g）和丰富的微孔，微孔的体积占总孔体积的90%以上，微孔直径约10Å（1Å=1×10^-10m）左右，故其吸附能力大。它对硫醇类恶臭气味化合物及苯酚和亚甲基兰等离子具有特殊的吸附能力，且其表面具有疏水性，对水蒸气吸附亲和性小，对空气中的有害气体、臭气,特别是有机化合物具有较高的去除效率，适于吸附和脱附频繁的废水处理和空气净化等。ACF被认为是21世纪最优秀的环境材料之一.在气体和液体净化,有害气体及液体吸附处理等方面已得到广泛应用^[4]。

ACF是非常有发展前途的高效吸附材料，无论污染物质是微量级还是高浓度，都可采用ACF进行吸附处理，达到满意效果，在很多领域中都将取代粒状活性碳^[7]。

3.4 粒状活性碳过滤器和活性碳纤维过滤器的性能对比

粒状活性碳过滤器是以GAC为滤料的一种压力式过滤装置，可与离子交换软化，除盐设备串联，组成处理系统。粒状活性碳过滤器不仅具有普通机械过滤器过滤悬浮物的功能，同时还能去除用常规手段难以去除的游离性余氯、臭味、色度及有机物等，而且可对滤料再生，恢复其吸附性。

活性碳纤维过滤器采用活性碳纤维毡或纤维布制成，此种过滤器优越于粒状活性碳(GAC)过滤器。活性碳纤维过滤器除了活性碳纤维适用的范围外，还可用于医疗保护、战地施救等领域^[8]。

影响两种活性碳过滤器吸附效果和使用寿命的主要因素有：污染物的种类和浓度、气流在过滤材料中的滞留时间、空气的温度和湿度。使用过程中， 活性碳过滤器的阻力不变，但重量会增加，有经验的专业人员可根据重量变化估计过滤器的使用寿命^[1]。

3.4.1 两种过滤器对水的过滤

图3所示粒状活性碳过滤器可用于天然水和污水过滤处理。其过滤精度高，截污容量大；过滤流速高，占地面积小，水耗少；易清洗，操作简单，滤料不流失；运行可靠，检修方便，维护工作量小；可调性强，出水质量可根据要求进行调整；设备价格低，不需另购滤料。

图3 粒状活性碳过滤器

采用活性碳纤维为主要过滤材料的净水器,具有净化、矿化、磁化、杀菌功能,在使用中可以定向过滤、反冲清洗。特别适用于新建楼房和水中铁锈污染严重的家庭使用,可免除频繁清洁滤材及更换滤材的烦恼，同时不同流速产生不同的净化效果，过滤速度越小，废水在吸附柱中停留时间越长，净化效果越好，反之，净化效果下降^[9]。

与粒状活性碳过滤器相比，活性碳纤维过滤器具有不易产生粉末，压力损失小，水流速度快等特点，但它可能分解为除去水中细菌而加入的有效氯，导致水中细菌不能完全被杀除而繁殖，可利用银离子解决细菌繁殖的问题，制成抗菌性活性碳过滤器。ACF和GAC除氯效果与水温的关系如图4所示^[4]。

图4 ACF和GAC除氯效果与水温的关系

3.4.2 两种过滤器对气体的过滤性能对比

活性碳空气过滤器，不但能过滤空气中的细微颗粒，而且对酸性气体、碱性气体、恶臭、甲醛、苯等苯类、酚类、醇类、酯类、醛类等有机气体和含有微量重金属的低浓度、大风量的各类气体有很好的吸附效果。主要适用于污染物浓度不高的中央空调和集中通风系统。

活性碳纤维是适合用作过滤材料的活性碳,活性碳纤维用于过滤时的压力损失小，吸附和脱吸速度快，故亦大量用于气体的净化。

（1）对氨气的过滤性能对比^[6]

高强等人以氨气为除臭对象，将渔网状GAC过滤网和ACF过滤网进行了对比实验，数据如表1所示：

除臭（氨气）性能的对比实验数 品种初始浓度循环时间残留浓度去除率去除率下降率ACF过滤网130ppm6h18ppm86.15%1.8%GAC过滤网130ppm6h50ppm61.53%几乎不能再生

从实验结果可以看出，ACF过滤网氨气去除率较GAC过滤网高，且再生性能明显优于GAC过滤网。同时ACF过滤网克服了GAC过滤网对低浓度介质难以吸附及难以再生的缺点。

（2）对甲苯气体的吸附性能对比^[10]

在范德华力的作用下，当相距很近的相对孔壁的吸附场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加，因此在很低的相对压强（低浓度）和较短的时间内就基本完成吸附，也就是说，低浓度下吸附量高，如图5所示。

图5 低浓度下ACF和GAC吸附甲苯的性能比较

（3）活性碳过滤器对SO₂、NO_x、CO、 CO₂的过滤^[11]

活性碳纤维过滤器的阻力与风道风速成直线关系；对SO₂、NO_x的去除效率随

过滤器的风量而变化。并随去除时间的延长而增大，最后逐渐趋于平缓趋势。活性

碳纤维过滤器的最佳滤速不随污染浓度的改变而变化。

活性碳纤维过滤器对CO、CO₂几乎无去除效果。这主要是由活性碳纤维的性质和CO、CO₂的特点所决定的，SO₂、NO_x气体极性强,易被活性碳纤维吸附，而CO、CO₂极性弱并与活性碳上的极性键有相斥作用，故CO、CO₂不能被活性碳纤维去除。经研究表明，经氧化及铁处理后，ACF对CO的吸附能力可大大提高^[4]。

4．市场展望

在物质文明和科学技术高度发展的今天，随着人们对环境空气质量要求提高，空气过滤技术也迅速地发展起来，性能卓越的活性碳纤维过滤器由于过滤时具有压力损失极小，吸附与脱吸速度快，耐振动，不产生粉尘，可再生，无污染等优势，势必将得到大力的推广和应用。 我国活性碳纤维过滤器的开发还仅处于初始阶段,其应用领域还远远没有打开,在水处理,空气净化,化学物质的吸附应用方面其市场开发的潜力极大.随着环境保护各项法规的进一步建立、完善和绿色化学时代的到来, 活性碳纤维过滤器必将呈现光明的发展前景^[12].

SARS的到来及禽流感疫情的爆发，对空气过滤行业是一次大的挑战，更是一次难得的机遇，它使得抗菌活性碳纤维过滤器具有了广阔的市场。

随着科学技术的发展，简单的活性碳纤维也已经不能满足人们的生活需求，纳米光催化活性碳纤维将是一个新的发展领域，有关这方面的研究有待深入研究。

参考文献

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[11] 张金萍，李德生．活性炭纤维过滤器在室内空气净化中的试验研究环境工程．2000，5（18）：32~35

[12] 汪多仁．活性炭纤维的开发与应用．高科技纤维与应用．2001，3：21~24

作者简介：

赵丽宁，女，1978年10月生 在读硕士研究生 西安工程科技学院123# 邮编 710048；电话: 029-88046010 029-82347289 ；E－mail: zhaolining144@yahoo.com.cn