Длительное воздействие низких концентраций летучих органических соединений (VOCs) в помещениях представляет значительную угрозу для здоровья человека. Адсорбционная технология, благодаря безопасности, высокой эффективности и простоте интеграции в компактные очистные устройства, широко рассматривается как ключевой путь улучшения качества воздуха в помещениях. Пористые адсорбенты, представленные активированным углём, благодаря превосходной микропористой структуре и чрезвычайно высокой удельной поверхности стали предпочтительным материалом для улавливания газообразных органических загрязнителей. Однако высокая равновесная адсорбционная ёмкость не эквивалентна превосходной динамической очищающей способности. В условиях вентиляции время пребывания воздушного потока в адсорбционном слое чрезвычайно мало, и молекулы загрязнителей зачастую не успевают полностью продиффундировать к внутренним адсорбционным центрам.

Основная проблема, стоящая перед современными структурированными плёночными адсорбционными материалами, заключается в дисбалансе между сопротивлением массопереносу и степенью использования адсорбционных центров. Обычные плёнки активированного угля с покрытием имеют плотную структуру и плохую связность пор; серьёзное внутриплёночное сопротивление массопереносу не позволяет глубинным адсорбентам проявлять себя, что значительно снижает эффективность очистки при однократном прохождении. Традиционные стратегии порообразования, такие как жертвенные шаблоны или прямая печать, разработанные для преодоления этого узкого места, обычно имеют недостатки: зависимость от дорогих полимеров, необходимость высокотемпературного пиролиза или элюирования органическими растворителями. Не только процесс изготовления сложен, но и высокие энергозатраты и стоимость серьёзно препятствуют их крупномасштабному практическому применению. Поэтому необходимо разработать новый структурированный адсорбционный плёночный материал, который был бы щадящим, низкозатратным и сочетал эффективный массоперенос с in situ регенерацией.

Для решения上述 проблем объединённая команда, состоящая из Шэньчжэньского университета, Городского университета Гонконга и Уханьского второго института проектирования судов и исследований, провела углублённое исследование с использованием настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM от ZEPTOOLS, команда разработала щадящую стратегию порообразования на основе водорастворимого солевого шаблона, сформировав микронные каналы транспорта газа в покрытии из активированного угля, что эффективно снизило сопротивление массопереносу при однократном прохождении воздушного потока и позволило осуществить in situ электротермическую регенерацию.

Название:Salt-templated hierarchical porous activated-carbon films for efficient and regenerable single-pass indoor VOC purification 
Журнал:Building and Environment 
Ссылка:http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2026.115192

Исходя из проблемы ограниченной эффективности очистки, вызванной быстрым прохождением низких концентраций летучих органических соединений в сценариях вентиляции помещений, исследовательская группа предложила стратегию создания иерархически пористых адсорбционных плёнок из активированного угля с помощью водорастворимого солевого шаблона. В этом методе микронные частицы хлорида натрия, природной морской соли или модельной смешанной соли равномерно смешивают с порошком активированного угля и полимерным связующим, наносят на композитную нагревательную подложку полиимид–медь, после низкотемпературной сушки удаляют солевой шаблон мягкой промывкой деионизированной водой. Растворение и экстракция водорастворимых неорганических солей in situ формируют обильные микронные каналы транспорта газа внутри плотного покрытия из активированного угля, что преодолевает высокие энергозатраты и технологическую сложность традиционных методов жертвенных шаблонов, основанных на высокотемпературном разложении или элюировании органическими растворителями, и обеспечивает низкозатратный и экологически чистый путь масштабируемого производства для разработки высокоэффективных плёнок однократной адсорбции, ориентированных на условия вентиляции.

Чтобы точно выяснить механизм эволюции микронных пор и взаимосвязь структура–свойства каналов массопереноса, исследовательская группа с помощью настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM от ZEPTOOLS провела многоуровневую морфологическую характеризацию обычного плотного покрытия и композитной плёнки после обработки солевым шаблоном. Высокое пространственное разрешение настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM от ZEPTOOLS ясно выявило структурные различия поверхности плёнки и хрупкого излома: поверхность покрытия контрольной группы без шаблона чрезвычайно плотная, частицы активированного угля плотно внедрены в полимерную матрицу и отсутствуют сквозные транспортные поры. Напротив, образцы после водной промывки и удаления соли демонстрируют растворённые макропоры размером от десятков до сотен микрометров и микронные межчастичные взаимосвязанные отверстия. В сочетании с испытаниями адсорбции–десорбции азота подтверждено, что такая микроскопическая реконструкция пор увеличила удельную поверхность покрытия с 445,9 м²/г до 596,9 м²/г, а общий объём пор — с 0,222 см³/г до 0,263 см³/г, что прямо доказывает, что введение сквозных транспортных макропор может значительно высвободить физическую адсорбционную доступность глубоких микропор и мезопор.

В экспериментах по непрерывно-поточной однократной очистке исследование систематически изучало влияние соотношения активированного угля и солевого шаблона, а также скорости воздушного потока на динамическую эффективность удаления ЛОС. Испытания показали, что увеличение количества введённого шаблона и образование после промывки обильных транспортных каналов может эффективно сократить путь диффузии газа. Когда массовое соотношение было отрегулировано до 1:1, полученная плёнка при относительно высокой скорости лицевой фильтрации 1,0 м/с достигла начальной однократной степени удаления толуола 82,2%, что примерно на 40% выше эффективности 58,9% плоской контрольной группы без шаблона. Что ещё важнее, даже при снижении расхода активированного угля на 40% плёнка всё ещё демонстрировала динамический срок службы адсорбции и характеристики проскока, близкие или даже лучшие, чем у образцов с высокой загрузкой; в продлённом тесте на проскок длительностью 122,1 ч измеренная эффективная адсорбционная ёмкость достигла 33,6 мг/г, что подтверждает, что структурированная инженерия пор может преодолеть узкое место внутриплёночного сопротивления массопереносу плотных покрытий и многократно повысить динамическую эффективность использования адсорбента при коротком времени контакта.

Исследование далее оценило эксплуатационную адаптируемость и способность к in situ циклической регенерации композитной адсорбционной плёнки в сложных условиях окружающей среды. Плёнка не только сохраняла начальную однократную степень удаления около 80% при изготовлении из различных природных и промышленных солевых источников и демонстрировала стабильный уровень очистки в диапазоне концентраций толуола 1–10 ppm, но и поддерживала степень удержания выше 77% для типичных ароматических и хлорированных углеводородов, таких как бензол и тетрахлорэтилен. В ответ на ослабляющий эффект конкурентной адсорбции, вызванный повышением относительной влажности, пористая плёнка неизменно сохраняла преимущество в очистке по сравнению с контрольной группой во всём диапазоне влажности 0–80%. Кроме того, благодаря интегрированной теплопроводящей подложке полиимид–медь, плёнка могла быстро десорбироваться при подаче электрического нагрева 80 °C в течение 20 мин при слабом воздушном потоке. После 15 циклов адсорбции–регенерации в сухом состоянии сохраняемость начальной однократной эффективности составила около 96%, а после многократного изгиба не появилось трещин или отслаивания покрытия, что подтверждает долговечность и практическую инженерную ценность функционализированной пористой адсорбционной плёнки в реальных системах очистки воздуха в помещениях.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM от ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный и экономически эффективный научный прибор. Он обладает быстрым откачиванием вакуума, высокой скоростью визуализации, разнообразными вариантами детекторов сигнала, подходит для наблюдения морфологии и элементного анализа, а также может адаптироваться к различным требованиям in situ экспериментов. Прибор нетребователен к условиям установки, не зависит от этажа, прост в управлении; даже неспециалисты могут быстро освоить его. Он может широко применяться в разработке новых материалов, науках о жизни, анализе отказов, промышленном контроле качества и многих других областях, предоставляя научно-исследовательским институтам и корпоративным пользователям мощное решение для микрохарактеризации, сочетающее высокую производительность и высокую экономическую эффективность.