活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　過濾式面罩呼吸器結構中過濾部分裝有活性炭的非織造布是較常用的材料，具有抗氣味的特性，可用于特殊職業中不超過有害物質接觸限值工作場所的呼吸保護。除了具有不同效果的聚合物過濾材料之外，這種過濾器還包含一層活性炭負載的非織造過濾器，其限制進入呼吸區的化合物的量。本期研究使用含活性炭材料制成的過濾器，在一定條件下對氣味化合物的吸附去除性能。

　　活性炭無紡布過濾器

　　本期研究中的活性炭負載非織造過濾器由聚對苯二甲酸乙二醇酯和PET制成非織造布，并用粉末狀活性炭浸漬而成。使用光學顯微鏡來評估活性炭纖維直徑分布和光學與活性炭介質的密度。活性炭的形態顯示在光學顯微鏡圖像中(圖1)。觀察到在纏結的聚合物纖維之間的空間中聚集的粉末狀碳材料的大量聚集。尺寸不超過纖維直徑的團塊以較小的量存在。它們附著在基本纖維上但未嵌入其結構中，這很重要，因為碳吸附劑在非織造結構中的沉積會顯著影響材料的吸附性能。這是因為在聚合物材料中存在結合物質或嵌入碳顆粒可能導致微孔阻塞，從而限制了活性炭材料的最終產能。接下來，我們應用了例程，對于給定的灰度圖像，它確定由黑色像素簇覆蓋的整個灰度圖像的分數。該方法允許我們粗略地評估活性炭復合材料中活性炭團聚的均勻性，而不考慮基礎非織造材料的不均勻性，因為這個例程省略了透明PET纖維。

　　圖1：活性炭負載無紡布樣品的原始光學顯微鏡圖像與灰度表示。

　　活性炭過濾器的吸附特性

　　使用環己烷蒸氣作為被吸附物質在圖2中所示的試驗臺上進行突破性實驗。選擇環己烷進行實驗，因為它是測試標準中特性比較全面的。此外，測試設置如圖2所示由于這種情況，優化了使用環己烷作為測試物質。環己烷是這類物質的良好代表，因為它是非極性和非反應性的，因此應主要通過物理吸附與活性炭表面結合。此外，它是在工業過程中大量使用的化合物之一，因此它經常存在于工作環境中。

　　圖2：活性炭突破性測試臺圖。

　　氣體濃度的影響

　　在圖3a中，在V=30L/min，T=22±3℃的穩態流動下，在上游濃度范圍為20-120ppm的活性炭樣品下游的環己烷的平均濃度和相對于時間繪制RH=70±3%。通過活性炭介質計算的環己烷蒸氣的相應突破百分比計算為下游濃度C out與上游濃度C in(%)的比率，如圖3b所示。與在氣體過濾器(深度大于2厘米)中發現的密集填充的碳床相比，在每個實驗的最初階段(在前30秒內)發生了初始突破(從0%到20%)，這是由于通過基重均勻性分析確認的混合物流過非織造物區域，具有較低的活性炭聚集。之后，觀察到隨著吸附物上游濃度的增加突破百分比的增加，這與密集填充碳床獲得的結果一致。

　　圖3：活性炭介質的下游濃度(a)和及時突破百分比(b)。

　　濕度的影響

　　在呼吸過程中肯定會產生一定量的水蒸氣會給活性炭材料產生一定的濕度，關于活性炭復合材料的相對濕度相關的穿透時間和吸附容量顯示在圖4中。在大多數情況下，活性炭在接觸時會吸收其中的水蒸氣，從而降低其吸附非極性有機蒸氣的能力。呼吸防護設備的研究表明，隨著濕度的增加有機蒸氣的吸附能力的降低。這可能對過濾式面罩呼吸器中具有抗氣味特性的活性炭過濾器具有重要意義，其可用于有害物質的接觸濃度。

　　圖4：相對濕度對(a)校正突破時間和(b)吸附能力的影響。

　　根據實驗分析發現聚合物纖維結構中活性炭的均勻性可能顯著影響這些性質，獲得的結果表明這種活性炭復合物存在高度發達的多孔結構，其中孔的貢獻較小。吸附時間隨著濃度的增加而下降。隨著測試混合物的相對濕度而增加。雖然，一般來說，由于氣味閾值的人際差異，很難確定氣味和物質濃度之間的關系，所提出的方法擴展了含有活性炭負載非織造過濾器的過濾式面罩呼吸器性能評估領域的現有知識。無論局限性如何，研究結果都清楚地表明在評估呼吸保護裝置的效率時需要考慮哪些外部因素，這對于在評估和選擇方面還是有價值的。

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