摘要： 以平板、旁通、折叠三种结构形式的活性碳纤维过滤器为实验对象，选择甲醛和氨气作为室内典型污染物，以分光光度法测定在变风量和变污染物浓度的条件下过滤器的吸附过滤效果；实验数据的分析表明， 从综合角度考虑， 平板式过滤器较为理想， 折叠式效率较高， 但阻力相对偏大， 而旁通式则效率偏低； 提出了一些对活性碳纤维过滤器的发展和改进有价值的建议。
关键词： 过滤器； 室内空气品质； 活性炭纤维； 吸附
随着现代生活方式的改变， 城市人们在室内停留的平均时间已经占全天时间比例的 ９０％左右， 室内空气品质日益受到重视。为了清除室内空气中对人体有害物质， 通风是一种非常有效的方法， 但是， 室外大气污染日益严重， 有时甚至比室内空气更加不卫生， 另外， 室内外空气交换需要大量的能源消耗， 因此， 用适当的清洁空气置换室内的污染空气才是更加合理的途径。目前普遍使用的空气过滤器只是过滤灰尘， 大多不具备清除有害气体和细菌的功能， 成功分离低浓度的气态污染物和细菌对改善室内空气品质至为重要。
活性碳纤维对室内气态污染物具有很好的吸附性能， 将活性碳纤维过滤器应用于民用建筑空调系统中， 在新风量不变的条件下， 能使室内空气得到更全面的净化。本文采用分光光度法测定， 对平板式、折叠式、旁通式三种结构的过滤器分别对甲醛、氨气的吸附性能进行了比较研究。
１ 活性炭纤维的比表面积和孔径分布
与粒状活性炭 ＧＡＣ（ Ｇｒａｎｕｌａｒ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ） 相比， 活性炭纤维 ＡＣＦ（ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ） 在吸附性能方面更具备优点：
（１） 吸附量大。ＡＣＦ 对有机蒸汽有较大的吸附量，对一些恶臭物质， 如正丁基硫醇等吸附量比 ＧＡＣ 大几倍到几十倍， 对无机气体， 如 ＮＯ２、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３、ＣＯ、ＣＯ２、ＨＦ、Ｆ２ 等有很好的吸附能力。而且， 对微生物、细菌也有优良的吸附能力， 如对大肠杆菌和Ｓｃｃｈａｒａｍｙｅｅｓ Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｔｅ 的吸附率可达 ９４％－９９ ％。
（２） 对低浓度吸附质的吸附能力特别强。即使对ｐｐｍ 数量级吸附质仍具备很高的吸附量， 而 ＧＡＣ 等吸附材料往往在低浓度时吸附能力大大降低。
（３） 吸附速度快。对气体的吸附一般能在数十秒或数分钟内达到吸附平衡， 如 ＡＣＦ 对碘的吸附量只需几十秒便达到平衡， 而 ＧＡＣ 则需要 １０４－１０５ｓ， 二者相差２－３ 个数量级。
吸附剂的孔径分布与孔隙结构对吸附性能有着重要影响， 决定了比表面积大小、吸附容量以及吸附质组分的选择分离性能。求吸附质比表面积的方法有多种，如 ＢＥＴ 法、一点法、 点法等， 本文采用 ＢＡＳＩＣ 语言编 Ｂ写了 ＡＣＦ 的比表面积和孔径分布计算程序， 运用 ＢＥＴ法求比表面积 ＳＡ， 采用圆孔等效模型求纤维的孔径分布。
在这里， 某种 ＡＣＦ 样品质量为 ０．９８ｇ， 实验温度为７７．３５ Ｋ， 方法是在装有样品的真空容器中， 充入氮气， 并不断测量容器中的氮气压力和 ＡＣＦ 样品的质量变化， 吸附过程与解吸过程的实验数据如图１所示， 孔径分布计算结果如图 ２ 所示， 比表面积的计算结果为： ＳＡ＝１２２４．８０６ｍ２／ｇ， 单分子饱和吸附量 Ｖｍ ＝２７５．３００４ｃｍ３／ｇ 。
上述数据表明， 实验用 ＡＣＦ 微孔（ ｒ＜１０ Ａ） 丰富，中孔（ １０ Ａ＜ｒ＜２５０ Ａ） 、大孔（ ｒ＞２５０ Ａ） 极少， 微孔分布呈单分散形， 在 ｒ ＝ ７Ａ时孔体积zui大， 能达到 ０．２２６１ ｍｌ／（ ｇ·Ａ） 。另外， 解吸曲线与吸附曲线非常贴近， 说明孔的形状也极其规则。这些特点对 ＡＣＦ 吸附祛除低浓度、小分子气态污染物非常有利。
２ ＡＣＦ 过滤器的实验研究
２．１ ＡＣＦ 过滤器的样品制作
选用的ＡＣＦ 材 料 的 基本技术参数如表１所示，从上述静态吸附实验来看， 其吸附性能良好。
在设计过滤器时， 应尽量增大吸附接触面积，这有利于提 高 吸 附 性 能和降低阻力。为了对不同结构的 ＡＣＦ 过滤器进行综合比较， 制作了三种结构形式的过滤器， 即： 平板式、旁通式、折叠式， 其主要结构参数如表 ２ 所示。
２．２ ＡＣＦ 过滤器的实验研究
ＡＣＦ 过滤器吸附性能测试所述方法进行， 因为测试方法和程序比较成熟， 过程叙述比较繁复， 具体的实验过程这里不再赘述。
测试气体选用氨气和甲醛蒸气， 氨气有强刺激性气味， 以此检验过滤器驱除异味的能力； 而甲醛本身就是室内 ＶＯＣｓ 的典型代表； 另外， 这两种气体的发生相对来说比较容易， 测试方法也比较成熟。ＡＣＦ 过滤器的吸附效率受多种因素的影响， 如温度、相对湿度、气流速度、污染物浓度等。此次测试主要确认气态污染物的浓度、气流速度对吸附过程的影响情况， 同时也获得三种过滤器的吸附效率、阻力特性比较。
三种过滤器对甲醛蒸气的吸附效率比较如图 ３ 所示， 测试过程中， 风量控制在（ １５０±５．０） ｍ３／ｈ 范围内波动， 甲醛蒸气初始浓度控制在（ ２５±３） ｐｐｍ 范围内。
可见， 初始效率zui高的是折叠式过滤器（ ６９．３％） ，其次是平板式过滤器（ ５６．２％） ， zui低的是旁通式过滤器（ ２９％） ， 从初始效率来看， 三种过滤器对甲醛的吸附效率都不是很高。折叠式过滤器的吸附效率下降得比另外两种过滤器都要快得多， 原因是它装填的活性炭材料相对其它两种过滤器要少， 分别为平板式的５９％， 旁通式的 ４２％。
三种过滤器对氨气的吸附效率比较如图 ４ 所示，测试过程中， 风量控制在（ １５０±５．４） ｍ３／ｈ 范围内波动，氨气初始浓度控制在（ ２５±２．６） ｐｐｍ 范围内。
可见， 初始效率zui高的仍然是折叠式过滤器８９．２％） ， 其次是平板式过滤器（ ８２．４％） ， zui低的是旁通式过滤器（ ３６．９％） ， 从初始效率来看， 三种过滤器对氨的吸附效率比较对甲醛的吸附效率高， 说明 ＡＣＦ 过滤器的吸附性能具有一定的选择性。
对三种过滤器在不同迎面风速下的阻力进行了测试， 并用指数方程进行拟合， 拟合曲线如图 ５ 所示。
旁通式阻力zui小， 折叠式阻力zui大， 平板式次之。
采用滤膜称重法对三种过滤器的除尘效率进行测试 如表 ３） 。模拟尘使用滑石粉， 采样流量为 １０ Ｌ／ｍｉｎ，采样时间为 ５ｍｉｎ。可见， 三种过滤器的除尘效率相差不大， 旁通式平均效率略低。
图 ６ 是不同风量条件下， 平板式过滤器对氨的吸附效率比较， 初始浓度为（ ２５±２．２） ｐｐｍ， 图 ７ 是不同浓度条件下， 平板式过滤器对氨的吸附效率比较， 风量为１５３±４．９） ｍ３／ｈ。图 ６ 表明， 气流速度增加， ＮＨ３ 与吸附材料的接触时间减少， 吸附效率下降； 图 ７ 表明， 进口污染物浓度增加时， 吸附效率也下降， 但浓度的影响相对没有风量的影响显著。因此， ＡＣＦ 过滤器的吸附效率并不是一个固定值， 对某一个过滤器指出其对某种气体的吸附效率时， 必须同时指出其测定条件。
３ 结语
三种活性炭纤维（ ＡＣＦ－ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ） 过滤器的吸附效率、阻力、和滤尘效率实验数据为过滤器的设计和选用提供了参考数据。从综合角度考虑， 平板式过滤器相对较为理想， 其各项性能参数都比较高； 但平板式过滤器加工工艺简单， 有利于批量生产和降低成本。折叠式效率较高， 但阻力相对偏大， 而旁通式则效率偏低， 因此， 要直接应用于舒适性空调尚需改进。
本实验研究采用的比色法， 从采样到获得数据约需 １ｈ， 显得烦琐而缺乏灵活性， 建议采用化学传感器检测仪器， 以减少人为误差， 同时能及时获得数据， 有利于对发生源进行调整。另外， 建议使用有变频控制的轴流风机， 更好地控制风量。
由于室内气态污染物种类繁多， 当用 ＡＣＦ 过滤器净化室内空气时， 存在多种气态污染物竞争吸附行为，对此进行进一步的分析和研究是很有意义的。
来源：中国过滤网
