活性炭層在口罩中的物理吸附性能

　　大型流行毒病在全球蔓延時(shí)，在公共場(chǎng)合佩戴口罩成為最有效的防護(hù)措施之一。盡管已知口罩可以過(guò)濾病毒、灰塵和有害氣體，但帶有活性炭層的口罩可能會(huì)提高過(guò)濾效率。雖然這些面罩通常足夠了，但它們?cè)谝暂^高的呼吸頻率防護(hù)某些氣體、有毒蒸氣和非常微小的病原體方面可能存在局限性。活性炭纖維的抗菌效率超過(guò) 90%，發(fā)現(xiàn)病毒和碳結(jié)構(gòu)之間的靜電引力會(huì)導(dǎo)致活性炭吸附病毒。通常，活性炭具有高表面積可有效去除空氣中的病毒、細(xì)菌、VOC、氣味和其他氣態(tài)污染物。具有20–50nm孔隙的活性炭可高效吸附病毒，活性炭層的加入讓口罩的防護(hù)能力提升了幾個(gè)檔次。

　　活性炭的孔結(jié)構(gòu)和碳百分比直接關(guān)系到吸附性能及其應(yīng)用。因此，必須為正確的應(yīng)用選擇合適的活性炭孔徑。例如，如果活性炭樣品具有微孔結(jié)構(gòu)(<2nm)，它將無(wú)法有效吸附介孔尺寸(2-50nm)的氣體分子，例如一些病毒的氣體分子，約為60-140nm。為了準(zhǔn)確確定活性炭的吸附能力，有必要研究其等溫線圖、表面積和孔徑分布。一些商業(yè)口罩已經(jīng)生產(chǎn)出帶有用于可更換過(guò)濾器的濾袋，其中包含活性炭層插入物。雖然已經(jīng)對(duì)口罩的過(guò)濾效率以及孔隙形態(tài)、大小和分布對(duì)吸附材料的影響進(jìn)行了一些研究，但對(duì)用于去除病毒的面罩可更換濾芯的表面特性的研究卻很有限。因此，本研究旨在通過(guò)關(guān)注從多家制造商購(gòu)買(mǎi)的活性炭層在商用可更換濾芯中的物理吸附效率，以確定帶有活性炭的商用口罩是否比普通口罩更好。

　　表面特性

　　分析吸附劑的表面積是必不可少的，因?yàn)樗�的吸附能力在很大程度上取決于它。為了獲得有關(guān)吸附過(guò)程的關(guān)鍵信息，通常使用N2吸附等溫線來(lái)確定吸附劑的表面積、孔體積和孔徑分布。它通常用于表面分析。分析活性炭的孔徑分布是必要的，因?yàn)榭讖降牟町悤?huì)影響吸附能力。為此，N2使用儀器分析吸附等溫線、Brunauer、Emmett和Teller(BET)表面積以及吸附劑的孔徑分布。在N2分析之前，通過(guò)從樣品池的重量中減去空樣品池的重量來(lái)計(jì)算樣品的干質(zhì)量。每個(gè)樣品在120℃下再生超過(guò)12小時(shí)，然后在相同溫度下進(jìn)行原位脫氣過(guò)程1小時(shí)，成功去除吸附的污染物。隨后，使用密度泛函理論(DFT)估算每個(gè)樣品的孔徑分布，并對(duì)每個(gè)樣品重復(fù)分析三次(n=3)。本研究測(cè)試了四種具有活性炭面罩濾芯(如圖1所示)。結(jié)果，與其他三個(gè)相比，過(guò)濾器1表現(xiàn)出截然不同的外觀。

　　圖1：本研究使用了四種類(lèi)型的帶有活性炭層的面罩襯墊。每張圖片代表不同的濾芯。

　　吸附等溫線

　　活性炭的吸附等溫線已使用氮(N2)吸附分析技術(shù)(一種標(biāo)準(zhǔn)方法)進(jìn)行了研究。圖2顯示了活性炭在77K時(shí)的N2吸附等溫線，該等溫線被發(fā)現(xiàn)為I型等溫線。N2吸附在低相對(duì)壓力范圍內(nèi)的快速上升證實(shí)了所有樣品都存在小孢子，如圖2所示。很明顯，活性炭4具有最低的N2吸附，而活性炭1和活性炭2的吸附等溫線重疊，活性炭3具有最高的N2吸附。數(shù)據(jù)的這種可變性可能歸因于所使用的不同前體材料。此外，除活性炭3外，活性炭的大部分孔隙體積都填充在P/Po≈0.1以下。對(duì)于活性炭3，孔體積填充低于P/Po≈0.3。在初始增加到0.1后，等溫線逐漸彎曲，表明進(jìn)一步吸附的增量較小。隨著相對(duì)壓力的增加，所有樣品的吸附幾乎呈水平狀態(tài)，表明已經(jīng)達(dá)到飽和。

　　圖2：活性炭的N2吸附等溫線。

　　掃描電子顯微鏡(SEM)分析

　　在1000倍放大倍率下，單個(gè)纖維清晰可見(jiàn)，可以觀察到它們的圓柱形和光滑表面(圖3)。在這項(xiàng)研究中沒(méi)有觀察到樣品的孔隙率，這可能是由于樣品的表面積小，這使得它們難以檢測(cè)。此外，活性炭并非完全由碳制成。如圖所示，碳層被其他材料覆蓋或噴涂。這可能進(jìn)一步導(dǎo)致表面積低，因此缺乏對(duì)孔隙率的觀察。

　　圖3：活性炭層放大1000倍的SEM圖像。

　　活性炭表面捕獲吸附分子，較高的固定碳含量表明較大的碳表面積。因此，固定碳含量是粗略分析的主要因素。典型的活性炭需要具有低灰分含量(2–10%)、低水分(5–8%)和高碳含量(85–90%)。盡管對(duì)于粉末(25%)和顆粒(15%)形式的活性炭的揮發(fā)物含量有一些標(biāo)準(zhǔn)，但文獻(xiàn)中沒(méi)有可用的標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于灰分和揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)填滿(mǎn)活性炭孔隙，因此高揮發(fā)物含量并不理想，導(dǎo)致表面積減少，進(jìn)而對(duì)活性炭吸附性能產(chǎn)生不利影響。

　　活性炭層在口罩中的物理吸附性能，所有樣品具有相似的物理吸附特性，與其他樣品相比，活性炭3的BET表面積略好，與其他樣品相比，碳含量更高。然而，盡管具有物理特性，但所有樣品都具有較差的吸附特性。活性炭3有兩個(gè)活性炭層，但由于其表面積小，因此不一定有效。為有效過(guò)濾病毒，建議使用具有高表面積(>1000)、高碳百分比(>80%)和0.1微米孔徑的活性炭。已觀察到所有樣品的無(wú)紡布表面形態(tài)。本研究?jī)H關(guān)注面罩濾芯的活性炭，并得出結(jié)論，帶活性炭的濾芯在吸附方面的表現(xiàn)并不優(yōu)于不帶活性炭的濾芯。此外，據(jù)透露，插入物不是純碳質(zhì)材料，聚合物成分可能占主導(dǎo)地位。

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