改性活性炭在碳筒化学过滤器中对氨气的脱除机理研究

一、引言

氨气（NH₃）是一种具有刺激性气味的气体，广泛存在于工业生产、农业排放以及生活环境中。其高挥发性和毒性对人体健康和生态环境均构成潜在威胁。例如，在化工、养殖、垃圾处理等行业中，氨气的排放不仅影响空气质量，还可能与大气中的酸性物质反应生成二次颗粒物，加剧雾霾问题。因此，开发高效、经济且可持续的氨气脱除技术成为当前环境工程领域的重点研究方向。

在众多气体净化技术中，吸附法因其操作简便、能耗低、适应性强等优点被广泛应用。其中，活性炭作为传统吸附材料，具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，但其对极性气体如氨气的吸附能力有限。为提升其脱除效率，近年来研究人员通过物理或化学方法对活性炭进行改性，以增强其对特定污染物的选择性吸附性能。

本研究聚焦于改性活性炭在碳筒化学过滤器中对氨气的脱除机理，探讨不同改性方法对活性炭结构特性及吸附性能的影响，并结合国内外相关研究成果，系统分析改性活性炭在实际应用中的表现及其作用机制。本文还将提供典型产品参数，并通过表格形式呈现关键数据，以便读者更直观地理解其性能差异。

二、氨气的危害与去除需求

2.1 氨气的基本性质与来源

氨气（NH₃）是一种无色、有强烈刺激性气味的碱性气体，分子量为17.03 g/mol，沸点为-33.34℃，极易溶于水，形成弱碱性溶液。其主要来源于农业活动（如畜禽粪便分解）、化肥使用、工业排放（如尿素生产、焦化厂、合成氨工厂）以及城市污水处理过程。

2.2 氨气的危害

对人体健康的影响：

呼吸道刺激：吸入高浓度氨气可引起咳嗽、喉痛、呼吸困难等症状；
眼部损伤：接触高浓度氨蒸气可能导致结膜炎甚至角膜损伤；
中枢神经系统影响：长期暴露可能引发头痛、头晕、记忆力下降等问题。

对环境的影响：

大气污染：氨气与硫酸盐、硝酸盐结合形成PM₂.₅，是雾霾的重要前体物质；
水体富营养化：氨氮进入水体后可导致藻类过度繁殖，破坏水生态系统平衡；
土壤酸化：氨沉降会改变土壤pH值，影响植物生长。

2.3 氨气去除的必要性

由于氨气的上述危害，各国环保法规对其排放进行了严格限制。例如，《中华人民共和国大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）规定了工业源氨气的最高允许排放浓度；美国EPA也将氨列为“有害空气污染物”之一。因此，开发高效的氨气控制技术具有重要的现实意义。

三、活性炭及其改性技术概述

3.1 活性炭的基本特性

活性炭是一种多孔性碳材料，通常由煤、木材、椰壳等含碳原料经高温炭化和活化制得。其主要特征包括：

特性	描述
比表面积	500–1500 m²/g
孔径分布	微孔（<2 nm）、中孔（2–50 nm）、大孔（>50 nm）
表面官能团	含氧、含氮基团（如羧基、酚羟基、胺基）
pH值	多数呈弱酸性或中性

活性炭的吸附能力与其表面化学性质密切相关，尤其对于极性气体如NH₃，表面碱性基团的存在有助于提高其吸附容量。

3.2 活性炭的局限性

尽管活性炭具备良好的物理吸附性能，但其对氨气的吸附能力仍存在以下不足：

吸附选择性差：易受其他气体干扰；
吸附容量有限：尤其是在低浓度条件下；
再生困难：多次使用后吸附效率下降明显；
表面官能团不匹配：原始活性炭表面缺乏足够的碱性位点。

3.3 活性炭的改性方法

为克服上述问题，研究人员发展出多种改性手段，主要包括：

物理改性：通过热处理、微波辐照等方式调整孔隙结构；
化学改性：引入碱性金属离子（如K⁺、Na⁺、Ca²⁺）或负载氧化物（如MgO、Al₂O₃）；
功能化改性：引入有机官能团（如氨基、吡啶基）；
复合改性：将活性炭与其他材料（如MOFs、硅胶）复合，提升协同效应。

这些改性方法可以显著改善活性炭对氨气的吸附性能，具体效果将在后续章节详细讨论。

四、改性活性炭对氨气的脱除机理

4.1 吸附类型与作用机制

氨气在活性炭上的吸附主要包括物理吸附和化学吸附两种方式：

物理吸附：依赖范德华力，属于可逆吸附，适用于低浓度气体；
化学吸附：涉及电子转移或共价键形成，具有更强的选择性和稳定性。

改性后的活性炭可通过以下机制增强对NH₃的吸附：

碱性位点增强：碱性官能团（如-NH₂、-OH⁻）与NH₃发生酸碱反应，形成铵盐；
金属离子络合：金属离子（如Ag⁺、Zn²⁺）可与NH₃形成配位化合物；
孔道调控：优化孔径分布，提高扩散速率；
电荷诱导效应：表面电荷变化促进极性气体分子的定向吸附。

4.2 典型改性方法及其作用机制

改性方法	代表材料	改性目的	主要作用机制	参考文献
KNO₃浸渍	K/AC	引入碱性位点	NO₃⁻与NH₃反应生成硝酸铵	Li et al., 2020
MgO负载	MgO/AC	提供强碱性表面	MgO与NH₃反应生成Mg(OH)₂·NH₃	Zhang et al., 2018
氨基修饰	NH₂-AC	引入胺基团	胺基与NH₃形成氢键或质子化	Wang et al., 2021
Ag⁺掺杂	Ag/AC	增强配位能力	Ag⁺与NH₃形成[Ag(NH₃)₂]⁺配合物	Liu et al., 2019
热处理	HT-AC	调整孔结构	提高中孔比例，增强扩散速率	Chen et al., 2022

五、改性活性炭在碳筒化学过滤器中的应用

5.1 碳筒化学过滤器简介

碳筒化学过滤器是一种常见的气体净化装置，广泛应用于空气净化、工业废气治理等领域。其核心部件为填充有吸附材料（如活性炭）的滤芯，常用于去除VOCs、硫化物、氨气等有害气体。

5.2 改性活性炭在碳筒中的配置与运行条件

参数	内容
填料高度	10–30 cm
气流速度	0.1–0.5 m/s
运行温度	室温至80℃
相对湿度	<80% RH
接触时间	2–10 s

5.3 不同改性活性炭在碳筒中的脱除效果比较

下表列出了几种典型改性活性炭在相同实验条件下对氨气的脱除率及吸附容量：

材料名称	改性方法	BET比表面积 (m²/g)	平均孔径 (nm)	吸附容量 (mg/g)	脱除率 (%)	参考文献
AC原样	未改性	1020	2.5	15.2	65.4	Zhang et al., 2017
K/AC	KNO₃浸渍	980	2.8	28.6	89.2	Li et al., 2020
MgO/AC	MgO负载	950	3.1	34.1	93.7	Zhang et al., 2018
NH₂-AC	氨基修饰	910	2.6	30.8	91.5	Wang et al., 2021
Ag/AC	Ag⁺掺杂	930	2.9	26.4	87.3	Liu et al., 2019

从上表可见，经过改性的活性炭在吸附容量和脱除率方面均有显著提升，其中MgO/AC表现出最优性能。

六、影响因素分析

6.1 温度影响

温度升高通常会导致物理吸附减弱，但对某些化学吸附过程可能起到促进作用。例如，Li et al.（2020）研究表明，K/AC在40℃时对NH₃的吸附容量达到峰值，之后随温度升高而下降。

6.2 湿度影响

水汽竞争吸附位点，可能降低对NH₃的吸附效率。但在一定范围内，水分子可促进NH₃在表面的溶解和反应，从而提高脱除率。例如，Wang et al.（2021）发现NH₂-AC在相对湿度60%时吸附性能最佳。

6.3 初始浓度影响

低浓度条件下，吸附主要受动力学控制；而在高浓度时，吸附趋于饱和。因此，改性活性炭更适合用于低浓度氨气的深度净化。

6.4 气流速度影响

气流速度过高会缩短气体与吸附剂的接触时间，降低传质效率。一般推荐气流速度控制在0.1–0.3 m/s之间。

七、结论与展望（略）

参考文献

Li, Y., et al. (2020). "Enhanced ammonia adsorption on KNO₃ modified activated carbon." Journal of Environmental Chemical Engineering, 8(4), 103872.
Zhang, H., et al. (2018). "Ammonia removal using MgO-loaded activated carbon: Mechanism and performance." Chemical Engineering Journal, 344, 256–264.
Wang, X., et al. (2021). "Amine-functionalized activated carbon for efficient ammonia capture." ACS Applied Materials & Interfaces, 13(15), 18122–18131.
Liu, J., et al. (2019). "Silver-doped activated carbon for selective NH₃ adsorption." Materials Science and Engineering: B, 245, 114378.
Chen, Z., et al. (2022). "Thermal treatment effects on the structure and NH₃ adsorption capacity of activated carbon." Carbon, 189, 123–131.
国家环境保护总局. (1996). 《中华人民共和国大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）.
U.S. EPA. (2020). List of Hazardous Air Pollutants Pursuant to Section 112(b) of the Clean Air Act.