Какой активированный уголь наиболее эффективен для удаления летучих органических соединений в помещениях?

Что такое летучие органические соединения (ЛОС) и почему они важны для качества воздуха в помещениях

ЛОС, или летучие органические соединения, — это по сути углеродсодержащие химические вещества, которые склонны испаряться при обычных температурах. Мы обнаруживаем их выделение из таких предметов, как банки с краской, чистящие средства под раковиной, новая мебель и даже некоторые строительные материалы, используемые при возведении зданий. Проблема в том, что эти химические вещества в воздухе ухудшают качество воздуха в помещениях и могут вызывать различные проблемы со здоровьем. У людей могут появиться головные боли или головокружение уже сразу, но также есть данные о связи длительного воздействия ЛОС с нарушениями дыхания и функций мозга. С учётом того, что, согласно отчёту Агентства по охране окружающей среды США за 2023 год, большинство американцев проводят около 90 процентов своей жизни внутри зданий, ЛОС становятся серьёзной проблемой как в домах, так и в офисах по всей стране.

Как работает активированный уголь: научные основы адсорбции для удаления ЛОС из воздуха в помещениях

Активированный уголь работает за счет поглощения ЛОС через так называемую адсорбцию. По сути, молекулы газа прилипают к поверхности угля благодаря его многочисленным микроскопическим порам. Всего один грамм содержит тысячи микропор размером от менее чем 2 нанометров до примерно 50 нанометров. Эти поры обеспечивают активированному углю огромную площадь поверхности — от 1000 до 3000 квадратных метров на грамм, что приблизительно соответствует площади двух-пяти теннисных кортов! Материал улавливает вредные вещества, такие как формальдегид, размером около 0,45 нанометра, и бензол — примерно 0,6 нанометра. Это происходит благодаря слабым силам притяжения, известным как силы Ван-дер-Ваальса, а также некоторым прямым химическим связям. Существует разница между этим процессом и обычным поглощением, при котором вещества растворяются внутри другого материала. При адсорбции молекулы буквально прикрепляются непосредственно к материалу фильтра.

Почему химическая фильтрация необходима для газообразных загрязнителей в домах и офисах

Стандартные HEPA-фильтры улавливают частицы, но не удаляют газообразные ЛОС. Исследования показывают, что фильтры с активированным углём могут устранить 60–90% химических веществ в воздухе в течение 48 часов. Такая химическая фильтрация имеет важное значение в помещениях с новой мебелью, чистящими средствами или источниками горения, где уровень ЛОС может быть в 2–5 раз выше, чем на открытом воздухе.

Структура пор и площадь поверхности: как они влияют на эффективность адсорбции ЛОС

Микропоры против мезопор: соответствие размера пор молекулярным размерам ЛОС

То, насколько хорошо активированный уголь удаляет летучие органические соединения (ЛОС) в помещениях, зависит от того, соответствует ли размер его пор размеру загрязняющих веществ. Маленькие поры менее 2 нанометров отлично подходят для захвата мелких ЛОС, таких как формальдегид, размер которого составляет около 0,45 нм. Более крупные поры в диапазоне от 2 до 50 нм лучше подходят для улавливания более крупных молекул, например толуола, размер которого составляет приблизительно 0,67 нм. Исследование 2022 года, опубликованное в журнале Building and Environment, показало интересные данные и по удалению бензола. Было установлено, что максимальная адсорбция достигается при наличии микропор с размером около 0,6–0,9 нм. Это очень важно, поскольку создаёт так называемый эффект молекулярного сита. Когда всё правильно подобрано, уголь улавливает больше загрязняющих веществ, не теряя потенциала поглощения.

Площадь поверхности и её взаимосвязь с эффективностью фильтрации при удалении летучих органических соединений в помещениях

Количество пространства, доступного на поверхности угольного фильтра, напрямую влияет на то, сколько молекул ЛОС он может улавливать. Угольные фильтры с показателем площади поверхности по БЭТ выше 1000 квадратных метров на грамм, как правило, демонстрируют примерно на 40 процентов лучшую способность задерживать типичные загрязнители воздуха в помещениях. Представьте себе: каждый грамм такого активированного угля имеет площадь поверхности, приблизительно равную общей площади 1,5 теннисных кортов. Эта огромная площадь поверхности создаёт множество мест, где газообразные загрязнители могут прилипать. Лабораторные испытания показывают, что такие углеродные материалы с высокой площадью поверхности могут удалять около 98% ЛОС, включая такие вещества, как лимонен и ксилол, при идеальных условиях. Однако в реальных условиях эффективность во многом зависит от таких факторов, как скорость потока воздуха и уровень влажности в окружающей среде.

Аналитические данные: площадь поверхности по БЭТ свыше 1000 м²/г повышает эффективность удаления ЛОС в помещениях

Исследования показали, что углеродные материалы с удельной поверхностью по БЭТ более 1200 квадратных метров на грамм могут удерживать около 92% летучих органических соединений при концентрациях ниже 1 части на миллион по объёму. Это довольно впечатляющий результат по сравнению с лишь 68% удержания у материалов с поверхностью 800 квадратных метров на грамм. Почему так происходит? Дело в том, насколько хорошо соединены поры внутри структуры материала. Чем лучше связность пор, тем меньше сопротивление для молекул, которые прилипают к поверхности в процессе адсорбции. Высокопроизводительные фильтры из таких материалов обычно служат от шести до девяти месяцев в домашних условиях, что примерно на 30% дольше, чем обычные фильтры, доступные на рынке сегодня. Хотя изначальная стоимость таких фильтров может быть выше, большинство домовладельцев обнаруживают, что в долгосрочной перспективе они экономят деньги, поскольку замена требуется не так часто.