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，在公共場合佩戴口罩成為最有效的防護措施之一。盡管已知口罩可以過濾病毒、灰塵和有害氣體，但帶有活性炭層的口罩可能會提高過濾效率。雖然這些面罩通常足夠了，但它們在以較高的呼吸頻率防護某些氣體、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 90%，發現病毒和碳結構之間的靜電引力會導致活性炭吸附病毒。通常，活性炭具有高表面積可有效去除空氣中的病毒、細菌、VOC、氣味和其他氣態污染物。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能力提升了幾個檔次。

　　活性炭的孔結構和碳百分比直接關系到吸附性能及其應用。因此，必須為正確的應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構(<2nm)，它將無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。一些商業口罩已經生產出帶有用于可更換過濾器的濾袋，其中包含活性炭層插入物。雖然已經對口罩的過濾效率以及孔隙形態、大小和分布對吸附材料的影響進行了一些研究，但對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，本研究旨在通過關注從多家制造商購買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，因為它的吸附能力在很大程度上取決于它。為了獲得有關吸附過程的關鍵信息，通常使用N2吸附等溫線來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，因為孔徑的差異會影響吸附能力。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，通過從樣品池的重量中減去空樣品池的重量來計算樣品的干質量。每個樣品在120℃下再生超過12小時，然后在相同溫度下進行原位脫氣過程1小時，成功去除吸附的污染物。隨后，使用密度泛函理論(DFT)估算每個樣品的孔徑分布，并對每個樣品重復分析三次(n=3)。本研究測試了四種具有活性炭面罩濾芯(如圖1所示)。結果，與其他三個相比，過濾器1表現出截然不同的外觀。

　　圖1：本研究使用了四種類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(一種標準方法)進行了研究。圖2顯示了活性炭在77K時的N2吸附等溫線，該等溫線被發現為I型等溫線。N2吸附在低相對壓力范圍內的快速上升證實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。數據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，表明進一步吸附的增量較小。隨著相對壓力的增加，所有樣品的吸附幾乎呈水平狀態，表明已經達到飽和。

　　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，單個纖維清晰可見，可以觀察到它們的圓柱形和光滑表面(圖3)。在這項研究中沒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。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。這可能進一步導致表面積低，因此缺乏對孔隙率的觀察。

　　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%)。盡管對于粉末(25%)和顆粒(15%)形式的活性炭的揮發物含量有一些標準，但文獻中沒有可用的標準。然而，由于灰分和揮發性物質會填滿活性炭孔隙，因此高揮發物含量并不理想，導致表面積減少，進而對活性炭吸附性能產生不利影響。

　　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有兩個活性炭層，但由于其表面積小，因此不一定有效。為有效過濾病毒，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紡布表面形態。本研究僅關注面罩濾芯的活性炭，并得出結論，帶活性炭的濾芯在吸附方面的表現并不優于不帶活性炭的濾芯。此外，據透露，插入物不是純碳質材料，聚合物成分可能占主導地位。

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