活性炭层在口罩中的物理吸附性能

　　大型流行毒病在全球蔓延时，在公共场合佩戴口罩成为最有效的防护措施之一。尽管已知口罩可以过滤病毒、灰尘和有害气体，但带有活性炭层的口罩可能会提高过滤效率。虽然这些面罩通常足够了，但它们在以较高的呼吸频率防护某些气体、有毒蒸气和非常微小的病原体方面可能存在局限性。活性炭纤维的抗菌效率超过 90%，发现病毒和碳结构之间的静电引力会导致活性炭吸附病毒。通常，活性炭具有高表面积可有效去除空气中的病毒、细菌、VOC、气味和其他气态污染物。具有20–50nm孔隙的活性炭可高效吸附病毒，活性炭层的加入让口罩的防护能力提升了几个档次。

　　活性炭的孔结构和碳百分比直接关系到吸附性能及其应用。因此，必须为正确的应用选择合适的活性炭孔径。例如，如果活性炭样品具有微孔结构(<2nm)，它将无法有效吸附介孔尺寸(2-50nm)的气体分子，例如一些病毒的气体分子，约为60-140nm。为了准确确定活性炭的吸附能力，有必要研究其等温线图、表面积和孔径分布。一些商业口罩已经生产出带有用于可更换过滤器的滤袋，其中包含活性炭层插入物。虽然已经对口罩的过滤效率以及孔隙形态、大小和分布对吸附材料的影响进行了一些研究，但对用于去除病毒的面罩可更换滤芯的表面特性的研究却很有限。因此，本研究旨在通过关注从多家制造商购买的活性炭层在商用可更换滤芯中的物理吸附效率，以确定带有活性炭的商用口罩是否比普通口罩更好。

　　表面特性

　　分析吸附剂的表面积是必不可少的，因为它的吸附能力在很大程度上取决于它。为了获得有关吸附过程的关键信息，通常使用N2吸附等温线来确定吸附剂的表面积、孔体积和孔径分布。它通常用于表面分析。分析活性炭的孔径分布是必要的，因为孔径的差异会影响吸附能力。为此，N2使用仪器分析吸附等温线、Brunauer、Emmett和Teller(BET)表面积以及吸附剂的孔径分布。在N2分析之前，通过从样品池的重量中减去空样品池的重量来计算样品的干质量。每个样品在120℃下再生超过12小时，然后在相同温度下进行原位脱气过程1小时，成功去除吸附的污染物。随后，使用密度泛函理论(DFT)估算每个样品的孔径分布，并对每个样品重复分析三次(n=3)。本研究测试了四种具有活性炭面罩滤芯(如图1所示)。结果，与其他三个相比，过滤器1表现出截然不同的外观。

　　图1：本研究使用了四种类型的带有活性炭层的面罩衬垫。每张图片代表不同的滤芯。

　　吸附等温线

　　活性炭的吸附等温线已使用氮(N2)吸附分析技术(一种标准方法)进行了研究。图2显示了活性炭在77K时的N2吸附等温线，该等温线被发现为I型等温线。N2吸附在低相对压力范围内的快速上升证实了所有样品都存在小孢子，如图2所示。很明显，活性炭4具有最低的N2吸附，而活性炭1和活性炭2的吸附等温线重叠，活性炭3具有最高的N2吸附。数据的这种可变性可能归因于所使用的不同前体材料。此外，除活性炭3外，活性炭的大部分孔隙体积都填充在P/Po≈0.1以下。对于活性炭3，孔体积填充低于P/Po≈0.3。在初始增加到0.1后，等温线逐渐弯曲，表明进一步吸附的增量较小。随着相对压力的增加，所有样品的吸附几乎呈水平状态，表明已经达到饱和。

　　图2：活性炭的N2吸附等温线。

　　扫描电子显微镜(SEM)分析

　　在1000倍放大倍率下，单个纤维清晰可见，可以观察到它们的圆柱形和光滑表面(图3)。在这项研究中没有观察到样品的孔隙率，这可能是由于样品的表面积小，这使得它们难以检测。此外，活性炭并非完全由碳制成。如图所示，碳层被其他材料覆盖或喷涂。这可能进一步导致表面积低，因此缺乏对孔隙率的观察。

　　图3：活性炭层放大1000倍的SEM图像。

　　活性炭表面捕获吸附分子，较高的固定碳含量表明较大的碳表面积。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%)。尽管对于粉末(25%)和颗粒(15%)形式的活性炭的挥发物含量有一些标准，但文献中没有可用的标准。然而，由于灰分和挥发性物质会填满活性炭孔隙，因此高挥发物含量并不理想，导致表面积减少，进而对活性炭吸附性能产生不利影响。

　　活性炭层在口罩中的物理吸附性能，所有样品具有相似的物理吸附特性，与其他样品相比，活性炭3的BET表面积略好，与其他样品相比，碳含量更高。然而，尽管具有物理特性，但所有样品都具有较差的吸附特性。活性炭3有两个活性炭层，但由于其表面积小，因此不一定有效。为有效过滤病毒，建议使用具有高表面积(>1000)、高碳百分比(>80%)和0.1微米孔径的活性炭。已观察到所有样品的无纺布表面形态。本研究仅关注面罩滤芯的活性炭，并得出结论，带活性炭的滤芯在吸附方面的表现并不优于不带活性炭的滤芯。此外，据透露，插入物不是纯碳质材料，聚合物成分可能占主导地位。