活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　大量工人在比較嚴酷的環境中工作，正確的使用呼吸防護器材可以防止會影響健康的空氣污染物。一般空氣濾芯中使用的是顆�；钚蕴渴悄壳坝糜诘挚垢鞣N氣體和蒸汽(包括揮發性有機化合物(VOC))的標準吸附劑，因為其成本低、效率高且技術可用被大量使用。因為，其顆粒形式活性炭需要密封(即，在盒或罐中)，這會增加空氣凈化呼吸器的重量和體積，以及活性炭本身的重量，所以需要改進這些問題。

　　活性炭纖維是從各種前體的聚合纖維碳化和活化中獲得的，由于其較大的表面積，被認為是開發更薄、重量輕、效果好的VOC防護的替代吸附劑，與顆�；钚蕴肯啾�，吸附能力更高，臨界床深度更低，微孔數量更多，重量更輕，并且具有自含式織物形式。纖維化的活性炭小纖維直徑允許均勻的纖維活化，導致活性炭在微孔范圍內的孔徑分布較窄。與更復雜的活性炭多孔網絡(即，大孔分支為中孔，然后為微孔)不同，活性炭纖維的微孔可通過被吸附物直接從纖維表面進入，從而產生更快的吸附動力學。也可以很好地從氣體流中捕獲各種濃度的VOC。

　　活性纖維濾芯的結構特性

　　活性炭材料的結構特性，包括編織類型、厚度、密度、BET表面積和微孔率。非織造纖維型比織造活性炭型厚2至4.5倍，但密度不如活性炭，使毛氈型具有海綿狀外貌�；钚蕴坷w維材料的BET表面積都很大，微孔面積也比較大。平均微孔面積百分比范圍為83.9%至93.2%，平均孔徑范圍為1.59至1.70nm(<2nm)，表明活性炭材料主要是微孔的。BET表面積與微孔面積(r=0.997)呈強正相關，但與微孔面積百分比(r=-0.982)呈強負相關�；钚蕴坎牧现欣w維的組織顯示在SEM圖像中200倍放大倍數下，毛氈型顯示隨機排列的松散無紡纖維，而布料型顯示緊密編織的纖維，外觀更致密(圖1)。

　　圖1：200倍放大倍數下活性炭纖維的SEM圖像�；钚蕴棵珰诸愋秃筒夹�。

　　甲苯濃度對突破時間的影響

　　本研究研究了甲苯濃度對穿透曲線的影響。圖2展示了活性炭濾芯1和活性炭濾芯2小柱在五種甲苯濃度下的穿透曲線。隨著甲苯濃度降低，甲苯通過活性炭纖維濾芯的穿透時間增加，而不管濾芯中活性炭纖維密度的差異(圖2)。這種濃縮效應是預料之中的，因為較低的甲苯濃度意味著較少的甲苯分子吸附到活性炭上并穿過活性炭纖維床層深度，從而需要更長的時間才能發生突破。

　　圖2：(a)活性炭濾芯1和(b)6小柱類型的突破曲線(按甲苯濃度),穿透時間與不同小柱類型的甲苯濃度的函數關系。

　　然而，穿透時間的這種增加與甲苯濃度不是線性的。觀察到較低甲苯濃度下的穿透時間增加大于較高濃度下的穿透時間，即使在甲苯濃度的相同比例變化下也是如此。例如，對于活性炭1和6小柱，從100ppm甲苯到300ppm甲苯的穿透時間增加比從300ppm甲苯到500ppm甲苯的時間增加要大，盡管濃度增加了200ppm(圖2ab)。所有小柱類型的穿透時間(10%、50%和5ppm)和甲苯濃度之間都存在這種非線性關系。如圖2下部分所示。在之前的活性炭纖維研究中發現了類似的結果，該研究涉及針對用于呼吸器應用的甲苯測試活性炭樣品。這一發現表明，在較低甲苯濃度下，活性炭濾芯可能更有效地提供更長的使用壽命，這可能歸因于活性炭吸附劑的微孔性，因為活性炭中的微孔主要負責在低濃度下增強蒸汽吸附。環境濃度和良好地填充在低濃度下，由于與相對的孔壁的緊密接近相關聯的引力的重疊。在低濃度下的吸附量取決于吸附劑的孔徑分布，特別是它的微孔率，這在低濃度下允許更高的吸附容量。有證據表明，活性炭纖維材料中的窄微孔在優化低濃度VOC吸附方面的重要性。

　　活性炭在甲苯濾芯纖維中的吸附特性，活性炭纖維是一種替代吸附劑，可用于開發更薄、更輕、更適用的呼吸器濾芯，但其吸附特性需要進一步研究。這項研究的結果顯示了活性炭纖維呼吸器濾芯可以針對空氣中的甲苯和其他潛在的VOC提供的呼吸保護程度。含有致密活性炭毛氈類型的濾芯具有較長的穿透時間(例如，250–270分鐘至5ppm的穿透時間)，因此提供長期的甲苯保護時間​​。盡管活性炭布類型以前被證明具有良好的吸附特性(即，高吸附能力和長穿透時間)，將布與毛氈型的活性炭濾芯結合并沒有顯著增加穿透時間。因此，鑒于其缺點之一是高壓降，無需在活性炭濾芯中使用布來改善吸附。使用密度合適的氈類型活性炭纖維在甲苯濾芯中就足夠了。

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