活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　載有活性炭的過濾無紡布是用于制造具有防臭特性的過濾式面罩呼吸器的流行材料，可用于很多工作場所的呼吸防護。除了具有不同功效的聚合物過濾器材料外，此類面罩包含負載活性炭的非織造過濾器層，這阻擋了進入呼吸區域的化學化合物。本期內容是分析活性炭非織造布的過濾效果。

　　根據公認的定義，氣味化合物是指濃度足以引起鼻子的嗅覺和三叉神經系統反應的物質。不論其來源(自然的或人為的)，長時間處在氣味污染下都會對人產生不利影響。如果在工作場所中有害物質超過職業接觸限值(OEL)，并且不可能通過從源頭消除職業危害或通過組織解決方案或技術保護措施將其降低到最低水平來預防職業風險，則必須使用適當的人員防護裝備。特別是，可以通過使用適當的呼吸保護裝置來實現防有害蒸氣和氣體的保護，例如帶有氣體過濾器的面罩(半面罩/全臉面罩)或含有高表面積吸附材料(例如活性炭)的組合式過濾器。

　　活性炭非織造布過濾器

　　在這項研究中，使用的活性炭的非織造過濾器，通常用于構造具有抗臭味的FFR。它是由聚對苯二甲酸乙二醇酯通過針刺制成的，并浸漬有110 g/m 2的粉末狀活性炭。

　　活性炭非織造過濾器的形態

　　活性炭介質250倍放大的顯微照片，然后用數值計算出與圖像其余部分相比具有較暗陰影的區域的面積(被活性炭介質覆蓋的區域)。首先，我們使用常規的多通道和彩色圖像轉換為灰度圖像，然后生成圖像，其中每個像素的值均為0(白色像素)或1(黑色像素)(圖1)。接下來，我們應用例程，對于給定的灰度圖像，該例程確定由黑色像素簇覆蓋的整個灰度圖像的比例。這種方法使我們能夠粗略評估活性炭復合材料中活性炭附聚的均勻性，而無需考慮基礎非織造布的不均勻性，因為例程省略了透明PET纖維。

　　圖1：活性炭負載非織造布樣品的原始光學顯微鏡圖像(a)和灰度表示(b)。

　　活性炭非織造過濾器的吸附特性

　　在圖2所示的試驗臺上，使用環己烷蒸氣作為挑戰性物質進行了突破性實驗。此外，圖2中顯示的測試設置由于這種情況，使用環己烷優化了使用環己烷作為測試物質。環己烷是這類物質的很好的代表，因為它是非極性且不反應的，因此主要應通過物理吸附將其結合在活性炭表面上。此外，它是在工業過程中大量使用的化合物之一，因此通常存在于工作環境中。

　　圖2：突破試驗臺圖，元件15–19僅在脈動流測試期間使用。

　　在測試過程中，干燥的壓縮空氣通過裝有減壓器的顆粒過濾器輸送到系統中，該壓力過濾器的調節范圍為0-8 bar。然后將其分為兩條線(圖2)：用于溫度和相對濕度調節的線A和用于調節測試室內測試物質濃度的線B。將來自管線A的給定溫度和相對濕度的空氣與來自管線B的激發蒸汽在混合室中混合，然后將活性炭鎖定在直徑為11.3的氣動樣品架中，并將其引入測試室。另外，在脈動流測試期間使用了連接到測試室出口的呼吸機。呼吸機設定為25個循環/分鐘和2 L/沖程，這對應于每分鐘25吸氣和25呼氣，呼吸量為2L。呼吸機的氣流模式為正弦曲線。脈動流量測試期間的挑戰濃度得到補償，以確保將總負載標準化為穩態流量條件。實驗以四個變體進行，每個變體評估不同因素(即挑戰濃度，相對濕度，挑戰流速，挑戰流型)對活性炭復合材料吸附特性的影響。

　　活性炭質地特性

　　活性炭和負載活性炭的非織造過濾器的氮吸附(下部分支)/脫附(上部分支)等溫線如圖3所示。

　　圖3：活性炭和活性炭復合材料的氮吸附-解吸等溫線。

　　活性炭和載有活性炭的非織造布的等溫線類似于具有寬孔徑分布。它的典型特征是在很寬的相對壓力范圍(P/P 0)范圍內具有較長的平穩期。在這種情況下，觀察到的吸附量不是平穩的，而是緩慢增加的(對于II型等溫線而言)，這可能是由于氮在非多孔聚合物纖維上的物理吸附或用于將活性炭結合到非織造結構中的粘合劑所致。在低P/P 0下吸附氮量迅速增加范圍表示測試樣品中高度發達的多孔結構的存在。

　　顯微鏡分析允許識別可能影響含活性炭非織造過濾器吸附特性的形態特征。已經發現，活性炭在聚合物纖維結構中的均勻性可能已顯著影響那些性能。氮吸附/解吸測量可以確定聚合物/活性炭介質的質構性質。獲得的結果表明存在高度發展的多孔結構，而中孔的貢獻很小。突破時間隨著濃度的增加而減少。一般來說由于人與人之間關于氣味閾值的差異，很難建立氣味與物質濃度之間的關系，所提出的方法擴展了含有活性炭的非織造過濾器FFR性能評估領域的現有知識。無論有何限制，研究結果均清楚地表明，活性炭非織造過濾器確定可以安全使用。

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