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活性碳過(guò)濾是如何凈化空氣?

活性炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì):活性炭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜拭宁,既不象石墨件舵、金剛石那樣碳原子按一定的格局排列吆视,又不象一般含碳物質(zhì)那樣含有復(fù)雜且多樣的有機(jī)物僵芹,有著龐大的分子結(jié)構(gòu)睬关。它有著自己的獨(dú)特結(jié)構(gòu)忧额。它由排列成六角形的碳原子平面層組成辐马,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(wú)規(guī)律,這種結(jié)構(gòu)叫“螺層狀結(jié)構(gòu)”毅弧。在活化過(guò)程中气嫁,基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無(wú)序碳這樣便產(chǎn)生了空隙。所剩余的碳之間堆積相當(dāng)疏松够坐,但相互的聯(lián)結(jié)卻相當(dāng)牢固寸宵。因此各微晶之間才有許多形狀不同崖面,大小不等又有一定強(qiáng)度的空隙,按孔徑大小一般分為大孔梯影、中孔和小孔巫员。1972年國(guó)際精細(xì)應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)原蘇聯(lián)學(xué)者杜賓寧依據(jù)活性炭的物理性能把三種空隙的分類作了具體的規(guī)定〖坠鳎活性炭90%的表面積都在微孔上疏遏,所以微孔是決定其吸附性能的重要因素【染活性炭孔隙分類聯(lián)合會(huì)規(guī)定的孔隙直徑(nm)   微孔 <2 0="" 2="" 0="" 50="">50,在活性炭的吸附過(guò)程中倘零,這三種孔隙各有其特殊功能唱遭。對(duì)吸附來(lái)說(shuō),微孔是最重要的呈驶,它的比表面積可達(dá)幾百甚至上千㎡/g拷泽,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袖瞻∷局拢活性炭的吸附特性不僅取決于它的孔隙結(jié)構(gòu),而且取決于它的化學(xué)組成聋迎。由于基本微晶在活化時(shí)脂矫,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霉晕,出現(xiàn)了不完全飽和價(jià)或成對(duì)電子直接影響著活性炭的吸附特性庭再。另一影響活性炭吸附特性的是結(jié)構(gòu)中的雜原子∥撸活性炭中的雜原子有兩種來(lái)源:一種是以化學(xué)結(jié)合的元素形成的拄轻,如氧和氫,這些元素一般來(lái)源于原材料伟葫,在炭化時(shí)不能完同碳表面結(jié)合恨搓。在活性炭中,還結(jié)合有n筏养、cl等其他元素斧抱,這些原子的結(jié)合對(duì)活性炭全分解遺留下來(lái)的,有的則是活化時(shí)撼玄,和活化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)結(jié)合在表面上的夺姑。另一種是灰分,這些灰分主要來(lái)源于活性炭的原材料掌猛,也有少數(shù)是生產(chǎn)過(guò)程帶入的盏浙∶级茫灰分使活性炭的微晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷,氧被化學(xué)吸著于這些缺陷上废膘,從而提高了活性炭對(duì)極性分子的吸附作用竹海。灰分的存在對(duì)氣體吸附(如二氧化硫丐黄、水蒸氣斋配、醋酸等)也有直接影響。在活性炭中加入某些無(wú)機(jī)化合物(如alcl3灌闺、naoh艰争、cuo等)可使活性炭改性,吸附性能發(fā)生了某些明顯的變化桂对。對(duì)某些物質(zhì)的吸附也可產(chǎn)生奇特的效果甩卓。氧和氫的存在對(duì)活性炭的吸附性能影響較大,它們以化學(xué)鍵與碳原子結(jié)合蕉斜,是活性炭結(jié)構(gòu)的有機(jī)部分逾柿。它們是優(yōu)良活性炭的重要組分。按照固體表面多相理論宅此,氧机错、氫和其他雜原子結(jié)合在微晶的邊緣和角上的碳原子上,因?yàn)檫@種碳原子不完全飽和父腕,反應(yīng)性較高弱匪。在所有結(jié)合的元素中,氧比其他元素更引起人們的重視璧亮。因?yàn)檠鯇?duì)活性炭基本微晶的排列及大小有重大影響痢法。這種表面結(jié)合的氧對(duì)水蒸氣和其他極性或可極化氣體的吸附能力有重大影響。c—o表面化合物是多樣的杜顺。例如:c—o表面絡(luò)合物财搁、表面氧化物、表面氧化化合物和化學(xué)吸著氧躬络。這些化合物分成兩類:一類是在溫度低于100℃時(shí)尖奔,氣態(tài)氧和活性炭表面發(fā)生反應(yīng)生成氧的絡(luò)合物,經(jīng)水合作用生成羥基和其他堿性基穷当,這些堿性基可以起到離子交換作用提茁;當(dāng)加熱到1000℃時(shí),則生成氣態(tài)氧化物馁菜,從活性炭表面脫除茴扁。另一類是在300~500℃下,氧與活性炭接觸生成酸性氧化物汪疮,經(jīng)水合作用可生成酸性表面化合物峭火,也有離子交換能力毁习。由表面氧結(jié)合的官能團(tuán)主要有:羥基、羧基卖丸、酚基纺且、內(nèi)脂、醌稍浆。但只有一部分氧結(jié)合在這些官能團(tuán)中载碌,其余的則是以醚性鏈的吸附性能也有著明顯的影響。綜上所述:在活性炭中衅枫,由于微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)嫁艇,通過(guò)活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙,其表面一部分被燒掉弦撩,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整裳仆,加上灰分及雜原子的存在,使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)孤钦,使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上,因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性纯丸。 則生成氣態(tài)氧化物偏形,從活性炭表面脫除。另一類是在300~500℃下觉鼻,氧與活性炭接觸生成酸性氧化物俊扭,經(jīng)水合作用可生成酸性表面化合物,也有離子交換能力坠陈。由表面氧結(jié)合的官能團(tuán)主要有:羥基萨惑、羧基、酚基仇矾、內(nèi)脂庸蔼、醌。但只有一部分氧結(jié)合在這些官能團(tuán)中贮匕,其余的則是以醚性鏈同碳表面結(jié)合姐仅。在活性炭中,還結(jié)合有n刻盐、cl等其他元素掏膏,這些原子的結(jié)合對(duì)活性炭的吸附性能也有著明顯的影響。綜上所述:在活性炭中敦锌,由于微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)馒疹,通過(guò)活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙,其表面一部分被燒掉乙墙,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整颖变,加上灰分及雜原子的存在生均,使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià),使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上悼做,因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性疯特。

活性炭吸附和過(guò)濾機(jī)理 物質(zhì)在固體表面上或微孔容積內(nèi)積聚的現(xiàn)象叫吸附「刈撸混合物通過(guò)某種設(shè)備后漓雅,其中部分物質(zhì)被去除的現(xiàn)象叫過(guò)濾。就室內(nèi)空氣來(lái)說(shuō)朽色,經(jīng)過(guò)活性炭后邻吞,部分有害物質(zhì)被去除,活性炭起過(guò)濾作用葫男;而就部分有害物質(zhì)來(lái)說(shuō)抱冷,活性炭則起吸附作用。
                      
吸附過(guò)程分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種梢褐。物理吸附單純靠分子間的引力把吸附質(zhì)吸附在吸附劑表面旺遮。物理吸附是可逆的,降低氣相中吸收質(zhì)分壓力盈咳,提高吸附溫度耿眉,吸附質(zhì)會(huì)迅速解吸,而不改變其化學(xué)成分鱼响∶簦化學(xué)吸附具有很高的選擇性,一種吸附劑只對(duì)特定的物質(zhì)有吸附作用丈积】鸷В化學(xué)吸附是不可逆的,吸附后被吸附質(zhì)已發(fā)生變化江滨,改變了原來(lái)的特性铛纬。物理吸附過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟:(a)污染氣體通過(guò)吸附邊界層,污染氣體的分子可能被吸附唬滑,也可能被從活性炭表面帶走饺鹃,這取決于該成分在載氣和邊界層中氣體里的濃度差值,該值決定著吸附的強(qiáng)弱间雀。當(dāng)污染空氣通過(guò)活性炭時(shí)悔详,一些有害氣體的濃度差值很大,所以被吸附下來(lái)惹挟,而空氣中的固有成分由于濃度差基本為零茄螃,所以正常通過(guò),而一些顆粒(如煙塵)由于過(guò)大连锯,直接被留在大孔和中孔中归苍。當(dāng)有害氣體的濃度差為零時(shí)用狱,活性炭失效,需重新活化拼弃。(b)被吸附的分子向微孔擴(kuò)散夏伊。(c)該分子被牢牢的綁扎在吸附劑表面。 以上三個(gè)步驟在化學(xué)反應(yīng)中也必然發(fā)生吻氧∧缬牵化學(xué)吸附中,吸附劑與吸附質(zhì)結(jié)合比較牢固盯孙,必須在高溫下才能脫附鲁森。化學(xué)吸附比物理吸附推動(dòng)力更大振惰,結(jié)合更牢固歌溉,所以對(duì)毒性很強(qiáng)的污染物,用化學(xué)吸附更安全骑晶。
 

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