活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　过滤式面罩呼吸器结构中过滤部分装有活性炭的非织造布是较常用的材料，具有抗气味的特性，可用于特殊职业中不超过有害物质接触限值工作场所的呼吸保护。除了具有不同效果的聚合物过滤材料之外，这种过滤器还包含一层活性炭负载的非织造过滤器，其限制进入呼吸区的化合物的量。本期研究使用含活性炭材料制成的过滤器，在一定条件下对气味化合物的吸附去除性能。

　　活性炭无纺布过滤器

　　本期研究中的活性炭负载非织造过滤器由聚对苯二甲酸乙二醇酯和PET制成非织造布，并用粉末状活性炭浸渍而成。使用光学显微镜来评估活性炭纤维直径分布和光学与活性炭介质的密度。活性炭的形态显示在光学显微镜图像中(图1)。观察到在缠结的聚合物纤维之间的空间中聚集的粉末状碳材料的大量聚集。尺寸不超过纤维直径的团块以较小的量存在。它们附着在基本纤维上但未嵌入其结构中，这很重要，因为碳吸附剂在非织造结构中的沉积会显着影响材料的吸附性能。这是因为在聚合物材料中存在结合物质或嵌入碳颗粒可能导致微孔阻塞，从而限制了活性炭材料的最终产能。接下来，我们应用了例程，对于给定的灰度图像，它确定由黑色像素簇覆盖的整个灰度图像的分数。该方法允许我们粗略地评估活性炭复合材料中活性炭团聚的均匀性，而不考虑基础非织造材料的不均匀性，因为这个例程省略了透明PET纤维。

　　图1：活性炭负载无纺布样品的原始光学显微镜图像与灰度表示。

　　活性炭过滤器的吸附特性

　　使用环己烷蒸气作为被吸附物质在图2中所示的试验台上进行突破性实验。选择环己烷进行实验，因为它是测试标准中特性比较全面的。此外，测试设置如图2所示由于这种情况，优化了使用环己烷作为测试物质。环己烷是这类物质的良好代表，因为它是非极性和非反应性的，因此应主要通过物理吸附与活性炭表面结合。此外，它是在工业过程中大量使用的化合物之一，因此它经常存在于工作环境中。

　　图2：活性炭突破性测试台图。

　　气体浓度的影响

　　在图3a中，在V=30L/min，T=22±3℃的稳态流动下，在上游浓度范围为20-120ppm的活性炭样品下游的环己烷的平均浓度和相对于时间绘制RH=70±3%。通过活性炭介质计算的环己烷蒸气的相应突破百分比计算为下游浓度C out与上游浓度C in(%)的比率，如图3b所示。与在气体过滤器(深度大于2厘米)中发现的密集填充的碳床相比，在每个实验的最初阶段(在前30秒内)发生了初始突破(从0%到20%)，这是由于通过基重均匀性分析确认的混合物流过非织造物区域，具有较低的活性炭聚集。之后，观察到随着吸附物上游浓度的增加突破百分比的增加，这与密集填充碳床获得的结果一致。

　　图3：活性炭介质的下游浓度(a)和及时突破百分比(b)。

　　湿度的影响

　　在呼吸过程中肯定会产生一定量的水蒸气会给活性炭材料产生一定的湿度，关于活性炭复合材料的相对湿度相关的穿透时间和吸附容量显示在图4中。在大多数情况下，活性炭在接触时会吸收其中的水蒸气，从而降低其吸附非极性有机蒸气的能力。呼吸防护设备的研究表明，随着湿度的增加有机蒸气的吸附能力的降低。这可能对过滤式面罩呼吸器中具有抗气味特性的活性炭过滤器具有重要意义，其可用于有害物质的接触浓度。

　　图4：相对湿度对(a)校正突破时间和(b)吸附能力的影响。

　　根据实验分析发现聚合物纤维结构中活性炭的均匀性可能显着影响这些性质，获得的结果表明这种活性炭复合物存在高度发达的多孔结构，其中孔的贡献较小。吸附时间随着浓度的增加而下降。随着测试混合物的相对湿度而增加。虽然，一般来说，由于气味阈值的人际差异，很难确定气味和物质浓度之间的关系，所提出的方法扩展了含有活性炭负载非织造过滤器的过滤式面罩呼吸器性能评估领域的现有知识。无论局限性如何，研究结果都清楚地表明在评估呼吸保护装置的效率时需要考虑哪些外部因素，这对于在评估和选择方面还是有价值的。

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