使用活性炭作為一種空氣凈化吸附材料已具有悠久的歷史。早在古埃及時(shí)代，人類(lèi)就會(huì)利用木炭來(lái)消除傷口散發(fā)的氣味；1773年，謝勒首次科學(xué)地證明了木炭對(duì)氣體具有吸附力；1808年，木炭被用到蔗糖業(yè)；第一次世界大戰(zhàn)期間，為了消除化學(xué)武器的威脅，活性炭防毒面具問(wèn)世，這是活性炭第一次應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域；上個(gè)世紀(jì)六十年代，具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)且吸附性能優(yōu)異的新型纖維狀活性炭材料研制成功。目前對(duì)吸附材料的研究集中勻吸附劑的加工工藝、微觀特征、能量不均勻性及吸附性能等。
活性炭種類(lèi)很多，因其原料、用途、性能、形狀不同，彼此間差別很大，分類(lèi)的方法也很多。按外部形狀分類(lèi)，可分為粉狀活性炭、顆粒活性炭、纖維活性炭。纖維活性炭是在碳纖維的基礎(chǔ)上研制和開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，在日本主要以有機(jī)化合物為原料，纖維活性炭的細(xì)度僅為頭發(fā)的1/3左右。我國(guó)已有用石油瀝青作原料研制出優(yōu)質(zhì)纖維狀活性炭的報(bào)道。從原料分類(lèi)，可分為煤炭原料、植物原料、石油原料、塑料等。按用途分類(lèi)，可分為氣相吸附、液相吸附、催化活性炭。空氣凈化主要用氣相吸附，要求微孔發(fā)達(dá)。
活性炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：活性炭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，既不象石墨、金剛石那樣碳原子按一定的格局排列，又不象一般含碳物質(zhì)那樣含有復(fù)雜且多樣的有機(jī)物，有著龐大的分子結(jié)構(gòu)。它有著自己的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。它由排列成六角形的碳原子平面層組成，但是這些平面不是完全沿共同的垂直軸排列而是一層與一層的角位移雜亂而無(wú)規(guī)律，這種結(jié)構(gòu)叫“螺層狀結(jié)構(gòu)”。在活化過(guò)程中，基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無(wú)序碳這樣便產(chǎn)生了空隙。所剩余的碳之間堆積相當(dāng)疏松，但相互的聯(lián)結(jié)卻相當(dāng)牢固。因此各微晶之間才有許多形狀不同，大小不等又有一定強(qiáng)度的空隙，按孔徑大小一般分為大孔、中孔和小孔。1972年國(guó)際精細(xì)應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)原蘇聯(lián)學(xué)者杜賓寧依據(jù)活性炭的物理性能把三種空隙的分類(lèi)作了具體的規(guī)定?；钚蕴?0%的表面積都在微孔上，所以微孔是決定其吸附性能的重要因素?；钚蕴靠紫斗诸?lèi)聯(lián)合會(huì)規(guī)定的孔隙直徑（nm） 微孔 <2.0 中孔 2.0～50 大孔 >50，在活性炭的吸附過(guò)程中，這三種孔隙各有其特殊功能。對(duì)吸附來(lái)說(shuō)，微孔是最重要的，它的比表面積可達(dá)幾百甚至上千㎡/g，孔容也比較大。微孔在很大程度上決定著活性炭的吸附能力?；钚蕴康奈教匦圆粌H取決于它的孔隙結(jié)構(gòu)，而且取決于它的化學(xué)組成。由于基本微晶在活化時(shí)，一部分被燒掉，受到不完整石墨層的干擾改變了碳骨架電子云的排列，出現(xiàn)了不完全飽和價(jià)或成對(duì)電子直接影響著活性炭的吸附特性。另一影響活性炭吸附特性的是結(jié)構(gòu)中的雜原子。活性炭中的雜原子有兩種來(lái)源：一種是以化學(xué)結(jié)合的元素形成的，如氧和氫，這些元素一般來(lái)源于原材料，在炭化時(shí)不能完全分解遺留下來(lái)的，有的則是活化時(shí)，和活化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)結(jié)合在表面上的。另一種是灰分，這些灰分主要來(lái)源于活性炭的原材料，也有少數(shù)是生產(chǎn)過(guò)程帶入的?；曳质够钚蕴康奈⒕ЫY(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，氧被化學(xué)吸著于這些缺陷上，從而提高了活性炭對(duì)極性分子的吸附作用。灰分的存在對(duì)氣體吸附（如二氧化硫、水蒸氣、醋酸等）也有直接影響。在活性炭中加入某些無(wú)機(jī)化合物（如alcl3、naoh、cuo等）可使活性炭改性，吸附性能發(fā)生了某些明顯的變化。對(duì)某些物質(zhì)的吸附也可產(chǎn)生奇特的效果。氧和氫的存在對(duì)活性炭的吸附性能影響較大，它們以化學(xué)鍵與碳原子結(jié)合，是活性炭結(jié)構(gòu)的有機(jī)部分。它們是優(yōu)良活性炭的重要組分。按照固體表面多相理論，氧、氫和其他雜原子結(jié)合在微晶的邊緣和角上的碳原子上，因?yàn)檫@種碳原子不完全飽和，反應(yīng)性較高。在所有結(jié)合的元素中，氧比其他元素更引起人們的重視。因?yàn)檠鯇?duì)活性炭基本微晶的排列及大小有重大影響。這種表面結(jié)合的氧對(duì)水蒸氣和其他極性或可極化氣體的吸附能力有重大影響。c—o表面化合物是多樣的。例如：c—o表面絡(luò)合物、表面氧化物、表面氧化化合物和化學(xué)吸著氧。這些化合物分成兩類(lèi)：一類(lèi)是在溫度低于100℃時(shí)，氣態(tài)氧和活性炭表面發(fā)生反應(yīng)生成氧的絡(luò)合物，經(jīng)水合作用生成羥基和其他堿性基，這些堿性基可以起到離子交換作用；當(dāng)加熱到1000℃時(shí)，則生成氣態(tài)氧化物，從活性炭表面脫除。另一類(lèi)是在300～500℃下，氧與活性炭接觸生成酸性氧化物，經(jīng)水合作用可生成酸性表面化合物，也有離子交換能力。由表面氧結(jié)合的官能團(tuán)主要有：羥基、羧基、酚基、內(nèi)脂、醌。但只有一部分氧結(jié)合在這些官能團(tuán)中，其余的則是以醚性鏈同碳表面結(jié)合。在活性炭中，還結(jié)合有n、cl等其他元素，這些原子的結(jié)合對(duì)活性炭的吸附性能也有著明顯的影響。綜上所述：在活性炭中，由于微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，其表面一部分被燒掉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整，加上灰分及雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性。 則生成氣態(tài)氧化物，從活性炭表面脫除。另一類(lèi)是在300～500℃下，氧與活性炭接觸生成酸性氧化物，經(jīng)水合作用可生成酸性表面化合物，也有離子交換能力。由表面氧結(jié)合的官能團(tuán)主要有：羥基、羧基、酚基、內(nèi)脂、醌。但只有一部分氧結(jié)合在這些官能團(tuán)中，其余的則是以醚性鏈同碳表面結(jié)合。在活性炭中，還結(jié)合有n、cl等其他元素，這些原子的結(jié)合對(duì)活性炭的吸附性能也有著明顯的影響。綜上所述：在活性炭中，由于微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，其表面一部分被燒掉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整，加上灰分及雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性。
活性炭吸附和過(guò)濾機(jī)理 物質(zhì)在固體表面上或微孔容積內(nèi)積聚的現(xiàn)象叫吸附。混合物通過(guò)某種設(shè)備后，其中部分物質(zhì)被去除的現(xiàn)象叫過(guò)濾。就室內(nèi)空氣來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)活性炭后，部分有害物質(zhì)被去除，活性炭起過(guò)濾作用；而就部分有害物質(zhì)來(lái)說(shuō)，活性炭則起吸附作用。
吸附過(guò)程分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附單純靠分子間的引力把吸附質(zhì)吸附在吸附劑表面。物理吸附是可逆的，降低氣相中吸收質(zhì)分壓力，提高吸附溫度，吸附質(zhì)會(huì)迅速解吸，而不改變其化學(xué)成分。化學(xué)吸附具有很高的選擇性，一種吸附劑只對(duì)特定的物質(zhì)有吸附作用?；瘜W(xué)吸附是不可逆的，吸附后被吸附質(zhì)已發(fā)生變化，改變了原來(lái)的特性。物理吸附過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟：（a）污染氣體通過(guò)吸附邊界層，污染氣體的分子可能被吸附，也可能被從活性炭表面帶走，這取決于該成分在載氣和邊界層中氣體里的濃度差值，該值決定著吸附的強(qiáng)弱。當(dāng)污染空氣通過(guò)活性炭時(shí)，一些有害氣體的濃度差值很大，所以被吸附下來(lái)，而空氣中的固有成分由于濃度差基本為零，所以正常通過(guò)，而一些顆粒（如煙塵）由于過(guò)大，直接被留在大孔和中孔中。當(dāng)有害氣體的濃度差為零時(shí)，活性炭失效，需重新活化。（b）被吸附的分子向微孔擴(kuò)散。（c）該分子被牢牢的綁扎在吸附劑表面。 以上三個(gè)步驟在化學(xué)反應(yīng)中也必然發(fā)生。化學(xué)吸附中，吸附劑與吸附質(zhì)結(jié)合比較牢固，必須在高溫下才能脫附。化學(xué)吸附比物理吸附推動(dòng)力更大，結(jié)合更牢固，所以對(duì)毒性很強(qiáng)的污染物，用化學(xué)吸附更安全。
