活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　大量工人在比较严酷的环境中工作，正确的使用呼吸防护器材可以防止会影响健康的空气污染物。一般空气滤芯中使用的是颗粒活性炭是目前用于抵抗各种气体和蒸汽(包括挥发性有机化合物(VOC))的标准吸附剂，因为其成本低、效率高且技术可用被大量使用。因为，其颗粒形式活性炭需要密封(即，在盒或罐中)，这会增加空气净化呼吸器的重量和体积，以及活性炭本身的重量，所以需要改进这些问题。

　　活性炭纤维是从各种前体的聚合纤维碳化和活化中获得的，由于其较大的表面积，被认为是开发更薄、重量轻、效果好的VOC防护的替代吸附剂，与颗粒活性炭相比，吸附能力更高，临界床深度更低，微孔数量更多，重量更轻，并且具有自含式织物形式。纤维化的活性炭小纤维直径允许均匀的纤维活化，导致活性炭在微孔范围内的孔径分布较窄。与更复杂的活性炭多孔网络(即，大孔分支为中孔，然后为微孔)不同，活性炭纤维的微孔可通过被吸附物直接从纤维表面进入，从而产生更快的吸附动力学。也可以很好地从气体流中捕获各种浓度的VOC。

　　活性纤维滤芯的结构特性

　　活性炭材料的结构特性，包括编织类型、厚度、密度、BET表面积和微孔率。非织造纤维型比织造活性炭型厚2至4.5倍，但密度不如活性炭，使毛毡型具有海绵状外貌。活性炭纤维材料的BET表面积都很大，微孔面积也比较大。平均微孔面积百分比范围为83.9%至93.2%，平均孔径范围为1.59至1.70nm(<2nm)，表明活性炭材料主要是微孔的。BET表面积与微孔面积(r=0.997)呈强正相关，但与微孔面积百分比(r=-0.982)呈强负相关。活性炭材料中纤维的组织显示在SEM图像中200倍放大倍数下，毛毡型显示随机排列的松散无纺纤维，而布料型显示紧密编织的纤维，外观更致密(图1)。

　　图1：200倍放大倍数下活性炭纤维的SEM图像。活性炭毛毡类型和布型。

　　甲苯浓度对突破时间的影响

　　本研究研究了甲苯浓度对穿透曲线的影响。图2展示了活性炭滤芯1和活性炭滤芯2小柱在五种甲苯浓度下的穿透曲线。随着甲苯浓度降低，甲苯通过活性炭纤维滤芯的穿透时间增加，而不管滤芯中活性炭纤维密度的差异(图2)。这种浓缩效应是预料之中的，因为较低的甲苯浓度意味着较少的甲苯分子吸附到活性炭上并穿过活性炭纤维床层深度，从而需要更长的时间才能发生突破。

　　图2：(a)活性炭滤芯1和(b)6小柱类型的突破曲线(按甲苯浓度),穿透时间与不同小柱类型的甲苯浓度的函数关系。

　　然而，穿透时间的这种增加与甲苯浓度不是线性的。观察到较低甲苯浓度下的穿透时间增加大于较高浓度下的穿透时间，即使在甲苯浓度的相同比例变化下也是如此。例如，对于活性炭1和6小柱，从100ppm甲苯到300ppm甲苯的穿透时间增加比从300ppm甲苯到500ppm甲苯的时间增加要大，尽管浓度增加了200ppm(图2ab)。所有小柱类型的穿透时间(10%、50%和5ppm)和甲苯浓度之间都存在这种非线性关系。如图2下部分所示。在之前的活性炭纤维研究中发现了类似的结果，该研究涉及针对用于呼吸器应用的甲苯测试活性炭样品。这一发现表明，在较低甲苯浓度下，活性炭滤芯可能更有效地提供更长的使用寿命，这可能归因于活性炭吸附剂的微孔性，因为活性炭中的微孔主要负责在低浓度下增强蒸汽吸附。环境浓度和良好地填充在低浓度下，由于与相对的孔壁的紧密接近相关联的引力的重叠。在低浓度下的吸附量取决于吸附剂的孔径分布，特别是它的微孔率，这在低浓度下允许更高的吸附容量。有证据表明，活性炭纤维材料中的窄微孔在优化低浓度VOC吸附方面的重要性。

　　活性炭在甲苯滤芯纤维中的吸附特性，活性炭纤维是一种替代吸附剂，可用于开发更薄、更轻、更适用的呼吸器滤芯，但其吸附特性需要进一步研究。这项研究的结果显示了活性炭纤维呼吸器滤芯可以针对空气中的甲苯和其他潜在的VOC提供的呼吸保护程度。含有致密活性炭毛毡类型的滤芯具有较长的穿透时间(例如，250–270分钟至5ppm的穿透时间)，因此提供长期的甲苯保护时间​​。尽管活性炭布类型以前被证明具有良好的吸附特性(即，高吸附能力和长穿透时间)，将布与毛毡型的活性炭滤芯结合并没有显着增加穿透时间。因此，鉴于其缺点之一是高压降，无需在活性炭滤芯中使用布来改善吸附。使用密度合适的毡类型活性炭纤维在甲苯滤芯中就足够了。

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