Adsorption performance of activated carbon towards toxic industrial chemicals

Abstract

One of the main goals in the project “1238: CBRN-vern” was to extend the present-day knowledge on the current CBRN filter and respirator systems and their possible improvement, in order to give the Norwegian Armed Forces a necessary expertise on their operative performance. This report summarizes the literature survey carried out in connection with the project, focusing on the filter canisters based on activated carbon used in the gas masks. Together with a gas mask the filters give the necessary respiratory protection against CBRN agents and a variety of toxic gases, including Toxic Industrial Chemicals (TICs). Knowledge on the adsorption mechanisms and the materials used in the filters is a key to understand and predict their operative performance against TICs. Activated carbon is of particular interest, since its unique properties make it the most commonly used adsorbent in the filters for civilian and military applications. Here, the preparation techniques, structure, different types of adsorption, effect of humidity and possible impregnation methods of activated carbon are reviewed, and the emphasis is put on the aspects of filter performance most relevant for the military applications. Adsorption mechanisms of selected TICs on activated carbon are presented, and a brief introduction to mathematical models useful for prediction of the filters lifetime is given. Finally, the report presents the conclusions from the literature findings, as well as recommendations for the future research activities at FFI and the possible evaluation of filter performance.

Gjennom prosjekt “1238: CBRN-vern” skal kunnskapen om eksisterende CBRN-filter og åndedrettsvernsystemer utvides og utdypes for å gi Forsvaret bedre innsikt i deres operative evner og mulige forbedringer. I forbindelse med dette arbeidet er det gjennomført en litteraturstudie over materialer som anvendes til filtrering av pusteluft i personlig beskyttelsesutstyr, nemlig vernemasker. Sammen med vernemaske gir filtre med aktivkull nødvendig åndedrettsbeskyttelse både mot kjemiske stridsmidler og giftige industrikjemikalier (Toxic Industrial Chemicals – TICs). Fokuset i denne rapporten har vært TICs og deres adsorpsjon på aktivkull. Denne rapporten oppsummerer adsorpsjonsegenskapene til aktivert karbon, det filtermaterialet som er mest brukt for adsorpsjon av giftige komponenter. Kunnskap om aktivkullets evner og adsorpsjonsmekanismer er avgjørende for å forstå og predikere ytelsen til aktivkull-basert filtreringsteknologi. Preparering, struktur, ulike typer av aktivkull, effekt av fuktighet og forskjellige adsorpsjonsmodeller er beskrevet med hensyn til aktivkull- typer som er eller kan benyttes av Forsvaret. Videre er det sett på mulige impregneringsteknikker, og hvordan valget av impregneringskomponenter påvirker kullets adsorpsjonsegenskaper mot utvalgte TICs. Adsorpsjonsisotermer og hvordan de kan brukes er diskutert, og en kort veiledning til matematiske modeller for predikasjon av gjennombruddstid og levetid er inkludert. Til slutt presenteres konklusjoner over litteraturfunn sammen med anbefalinger for framtidige forskningsaktiviteter ved FFI og mulige evalueringsmetoder av filters ytelse mot TICs.