技术分享—活性炭过滤器的吸附原理

  在无管通风设备（无管通风柜、无管化学工作台、负压安全工作台、自净式储药柜等）中，过滤器无疑是最关键的核心部份。涉及到化学气体的滤除，活性炭过滤器的综合效能比较高，成为各种相关设备的选择。本文对活性炭的表面微观结构和作用机理、活性炭过滤器的制作工艺和使用寿命等核心问题进行一个全面的梳理，向大家讲解一下这种业内性能比较高的活性炭过滤器。

一、何为活性炭？

        人们很早就发现，不管是矿物炭（煤炭、骨炭等）还是植物炭（木炭、椰壳炭等）以及后来发现的石油及化工品燃烧后残余的化学炭（焦炭、炭黑等），都具有一定的气体吸附能力。因为炭材料极易获得且加工工艺比较简单，所以几百年前就被用作气体过滤材料。随着科技的发展，人们进一步认识到表面具有更多微孔的炭能够吸附更多的化学气体，因而表面具有丰富微孔的活性炭便受到了特别关注，现在气体过滤所用的炭材料基本上都是活性炭。

各种来源的活性炭

   活性炭是经过特殊活化处理后的炭材料。所谓“活化”，就是通过部分燃烧、热蒸等物理或化学方法使炭材料的表面生成大量的微孔，这些微孔有效地扩大了化学吸附所需要的内表面积。经充分活化的1 kg活性炭的内表面积可达1 km2！

显微镜下的活化前（左）后（右）的活性炭表面结构

放大不同倍数后的活性炭，从左至右：20X, 100X, 1,000,000X

  由不同来源的炭材料制成的活性炭，表面微孔的数量和结构也不相同。在各种活性炭中，由植物炭加工而成的活性炭具有更加丰富的微孔结构，其中以椰壳炭的品质高，因此椰壳炭成为化学气体过滤很理想的材料。

椰壳及加工后的椰壳活性炭

二、活性炭吸附的作用机理

        如前所述，在活性炭的表面有丰富的微细小孔，当气体进入这些小孔时，分子量较大或结构复杂（具有非对称的极性分子结构）的化合物成分就会被捕捉并长时间稳定留存下来，而分子量较轻且结构简单的空气分子（主要是N2和O2）得以顺利穿过，从而实现了对空气的净化作用。

活性炭的表面结构（左）及吸附机理（右）

       虽然活性炭对大多数气态化合物都具有较好的吸附作用，但对某些化合物的吸附作用并不十分理想，这些化合物主要包括：分子量较低的有机物（如甲醛）、无机物气体（如HNO3、H2SO4、HCl等）、氨气（NH3）和胺类化合物。这类化学物质对室内空气环境的污染十分明显，所以应采取必要的辅助措施来提高活性炭对这些化合物的吸附能力。

       一个普遍应用的增强活性炭吸附能力的方法是化学浸泡法，即根据要吸附的化合物的特性选择合适的化学添加剂，对活性炭进行预浸泡处理。这样，本来不易被直接吸附的化合物将与通过预浸泡附着在活性炭表面微孔结构中的化学添加剂发生反应，生成能够被稳定吸附的物质，从而提高了活性炭对这些化合物的吸附能力。经化学浸泡处理的活性炭所制成的过滤器，通常也被叫做“化学吸附活性炭过滤器”。

       不管哪种活性炭，随着所吸附化合物量的增大，表面微孔都会逐渐被消耗掉，继续吸附化学气体的能力也会逐渐下降。当大多数表面微孔被消耗掉以后，作为过滤器的活性炭的寿命也就到期了。

综上所述，活性炭过滤器是各种化学实验室中重要的一部分，它为实验人员的健康安全做出了重大贡献。但是它也是有寿命的，请记得及时更换过滤器，为您的职业健康保驾护航。

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