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活性炭吸附技术及其在家庭场景中的应用概述

189天前

吸附是指固体物质表面吸住周围介质(液体或气体)中的分子或离子的现象

吸附是指固体物质表面吸住周围介质(液体或气体)中的分子或离子的现象。起到吸附作用的固体物质称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。目前在工业上应用较为广泛的吸附剂包括硅胶、活性炭、活性氧化铝、分子筛等等。他们通过其特有的孔结构和表面结构,稳定的特性对吸附质进行吸附,从而起到吸附分离、精炼、除湿以及去除有毒有害物质等作用。


活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和丰富的表面官能团,作为一种优质吸附剂在日常生活中应用较为普遍,通过其强大的吸附能力,活性炭在空气中挥发性有机物、异味的去除,以及在食品的脱色、除湿、保鲜、抑菌方面均能发挥较好的作用。本文仅针对活性炭吸附技术的原理、优缺点及应用该技术的家电产品和家庭场景进行概述。

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活性炭吸附技术的原理


活性炭是利用林业、煤业等生产加工过程中遗留产物作为生产原料,通过一定物理和化学方法进行工序加工制造而成的[1]。活性炭的吸附原理与其自身的物理结构有关,由于其表面与内置分子所处的位置不同,表面分子所受的力不能达到均衡对称,表面存在力量的不饱和,故其对表面附近的气 (液) 体分子有吸引力,从而产生吸附作用。当外界空间的气(液)分子碰撞到活性炭表面上,就会被吸附,当达到平衡时,吸附速度与从表面逸出的脱附速度相等,此过程即处于动态平衡[2]


活性炭的吸附机理主要为孔填充。与其他吸附材料相比,活性炭具有的小微孔(半径为小于0.02nm)特别发达的特征,往往决定了活性炭的总比表面积;半径为(0.02~1)nm的过渡孔表现重要的通道作用;半径为(1~100)nm的可称之为大微孔,这也是吸附物质微粒的“入口”[3]。活性炭表面官能团、孔容及孔分布是影响吸附效果的最核心因素:它们作为活性中心支配了活性炭的表面理化性质,直接从热力学上决定吸附过程是否发生[4]。活性炭的物理吸附主要是与表面积和孔结构分布有关,孔壁的总表面积一般高达(500~1700)m2/g,在这种吸附模式中,一种吸附剂往往可以吸附多种物质,但由于吸附质性质不同,吸附的量也有所差别[5]。此外,碳基吸附剂本身结构中含C—C单键,属非极性吸附剂,易于吸附非极性吸附质;但经过表面改性后,可获得表面呈酸或碱性的含氧官能团,从而改变活性炭对不同吸附质的吸附能力[6]。活性炭表面的化学性质主要由表面的官能团种类和数量来决定[5]


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活性炭吸附技术在家庭中应用的优缺点

2.1 优势

活性炭具有稳定的特性,在家庭环境中可对空气中多种吸附质如挥发性有机物、异味,家庭用水中的金属离子、有机物进行吸附去除,吸附反应速度快。吸附过程不会产生副产物,对环境不会造成危害,同时也不会对人体本身产生危害,比较适合于在与人体密切接触的环境中使用。


活性炭可以通过改性来实现对不同物质的吸附需求,充分发挥活性炭的吸附性能。目前活性炭常用的改性方法有表面氧化改性、表面还原改性、负载金属改性、微波改性等,通过合适的改性方法能够明显提升活性炭对于污染物的吸附能力[7]。王新豪等[8]通过研究发现活性炭经离子液体改性后,能显著提高其对芳香烃的吸附性能,其中 [P(C3H7) (C8H17)3]TFSI和[P(C3H7) (C8H17)3]BF4)浸渍改性活性炭的甲苯静态吸附量较大;[P(C3H7) (C8H17)3]BF4浸渍改性活性炭对于3种二甲苯异构体的吸附量最大,且排序依次为邻二甲苯>间二甲苯>对二甲苯。李玉堂等[9]利用硝酸氧化改性和氨还原改性实现活性炭表面功能化,静态吸附实验的结果表明在pH值为4~7的范围内改性后的活性炭对水溶液中汞离子有较好的吸附效果。Chen等[10]通过浸渍法制备Ag改性的活性炭,用于去除水中的溴化物。结果表明,改性活性炭对溴化物的去除率均高于未改性活性炭,Ag含量高、比表面积大的改性活性炭对溴化物的去除效果好。


2.2 缺陷

活性炭吸附过程多是可逆的物理吸附,即在一定温度、压强下达到平衡的体系。在高温、低压下吸附质可被解析出来,吸附持久性差,饱和后可能会造成二次污染,活性炭在较为潮湿的环境中会加速其吸附饱和的速度;此外,活性炭吸附空气中的有机物后,如不及时清理, 也可能会成为细菌滋生的场所,而活性炭本身的吸附性能也不能对细菌、病毒起到有效的杀灭作用。 


活性炭吸附饱和后,存在一定的更换需求,随之也会产生一定的使用成本。目前有一些观点认为可以通过阳光暴晒来恢复吸附饱和后活性炭的性能,而有关于活性炭再生技术的研究显示[11]通过高温再生的方式来恢复活性炭性能,一般控制温度为(700~1000)℃, 但有时被吸附物仍不能被完全解吸, 仍有一部分碳化物残留在活性炭表面, 因此, 需要再通入水蒸气和其他氧化锌气体, 使其进一步被活化。高温活化法需要经过干燥、碳化、活化3个阶段。故单纯通过阳光暴晒是不能使活性炭恢复吸附性能的。


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活性炭吸附技术在家庭中的应用场景

3.1 在空气净化中的应用

在家居生活场景中,空气环境对人体健康的影响尤为突出,空气中雾霾、尘螨、花粉等可吸入颗粒物会增加人体肺部的负担;病毒、细菌对空气的污染也将直接导致人体感染和致病;而甲醛、苯等挥发性有机物在家庭环境中长期的挥发扩散,会给人体带来致癌风险,对孕妇,婴幼儿、老年人等身体素质较弱的特殊人群均存在较大健康威胁。如上文所提到的,活性炭吸附技术可以较好的去除家庭空气中的挥发性有机物,对去除异味也有一定的效果,在家庭空气类家电中,使用活性炭吸附技术来实现空气净化已经较为常见,活性炭吸附技术虽然可以净化挥发性有机物,但其自身还存在易饱和及易析出污染物的问题,可以通过对活性炭进行改性处理来增强其吸附性能。同时,有研究表明,活性炭吸附过滤气体有机物时,过滤风量、污染物的初始浓度、活性炭颗粒用量、活性炭颗粒粒度、净化网的形状等因素对吸附效果均有一定影响。要实现活性炭对有害气体的有效吸附,在设计产品时还应综合考虑这些因素。


当然,如果要对空气中的所有污染物进行去除,单纯靠活性炭吸附并不能实现,可以通过与过滤、静电吸附、光触媒材料、负离子等技术进行合理的叠加应用,从而增强空气类产品的净化性能。


3.2 在水净化中的应用

随着生活水平的提高,家庭中饮水和用水安全问题也被人们重视起来。各类净水设备通过一些物化技术手段来为家庭提供洁净的饮用水源。活性炭以其对水中的有机物和金属离子的吸附能力,可以对自来水进行有效净化。除此以外,家庭中的生活废水也是可以通过活性炭技术进行处理,从而减少废水污染及其对环境的影响。有研究表明,粉末活性炭对降低受污染源水的色度、挥发酚、臭味等有很好的作用, 对CODMn也有较好的去除效果[12]。所以可以应用活性炭吸附技术对家庭用水家电如洗衣机、洗碗机所产生的废水进行过滤和净化,减少对环境污染的同时,处理后的废水还可以进行循环利用,帮助家庭实现节水。在水资源严重短缺的当下,活性炭吸附技术将在家庭循环用水场景中得到更多应用,并对家庭节水起到积极推动作用。


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总结

活性炭吸附技术在医药、化工、食品等工业领域以及环保领域应用较为成熟。在家庭场景中,活性炭稳定,不对人体、环境产生危害,以及其对有机物及金属离子的吸附能力,使其在空气和水的净化处理方面具有一定优势。然而活性炭吸附技术对家庭环境中的消毒灭菌不能有所帮助,与其他消毒除菌技术叠加应用于家电产品中,可以进一步对家居环境的洁净与健康保驾护航。此外,改性活性炭消除有害物质的能力会大大增强,如何针对家庭环境中的不同需求对活性炭进行改性处理,从而提升空气和水中有害物质的去除效果,如何去除其可能产生的二次污染问题,以及拓展和应用活性炭的再生技术,促进活性炭的循环利用将是活性炭技术研究的重要方向。相信通过更多吸附技术的创新和迭代,以及在家电产品上的应用,可以更加安全有效地解决家庭不同场景中的清洁问题,满足人们对健康洁净生活的向往。



参考文献

[1] 陈琛, 刘红阳. 活性炭吸附工艺在工业有机废气治理中的应用[J]. 化工设计通讯, 2019,45(12):51-52.

[2] 单绍复. 活性炭的吸附原理及在环境工程中的应用[J]. 污染防治技术, 1991(04):11-14+67.

[3] 李天昕, 谷为民, 林海, 等. 新型介孔净化材料与活性炭的性能对比及其制备方法和应用[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2004,(6): 49-52.

[4] 王满曼, 温变英, 樊保民. VOCs吸附剂及其吸附机理研究进展[J]. 中国塑料, 2019,33(03):113-119.

[5] 王露, 丁小婷, 陈凯. 活性炭的吸附机理评述[J]. 科学大众(科学教育), 2018(12):30-31+68.

[6] 孙政. 活性炭对有机气体的选择性吸附研究[D]. 中南大学, 2011.

[7] 郑婧, 乔俊莲, 林志芬. 活性炭的改性及吸附应用进展[J]. 现代化工, 2019,39(S1):53-57.

[8] 王新豪, 朱佳媚, 檀亮, 何晓东. 离子液体改性活性炭对芳香烃的吸附性能[J/OL]. 化工环保:1-6[2020-03-04].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2215.X.20200221.2121.022.html.

[9] 李玉堂, 李柱, 刘志阳, 余朝阳, 范明霞. 表面功能化活性炭对水溶液中汞离子的吸附[J]. 广州化工, 2019,47(05):72-74+77.

[10]  Chen C,Apul O G,Karanfil T.Removal of bromide from surface waters using silver impregnated activated carbon[J].Water Research, 2017,113: 223-230.

[11] 胡莹. 活性炭再生技术研究与发展[J]. 煤炭与化工, 2018,41(04):136-139.

[12] 张林军, 赵晓东, 刘晓玲. 粉末活性炭在净水工程中的应用[J]. 工业用水与废水, 2004, 35 (1) :33-34.



家电科技介绍

《家电科技》期刊创刊于1981年,是由中国轻工业联合会主管、中国家用电器研究院主办的国家级学术期刊,被《中国核心期刊(遴选)数据库》收录,是家电及相关行业公认的权威科技期刊。

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