改性活性炭凈化家居污染空氣實(shí)驗(yàn)研究

　　【摘要】本研究立足于物理吸附和化學(xué)催化相結(jié)合的空氣凈化技術(shù)，優(yōu)選碳酸銅、碳酸鉀、乙二胺作為改性活性炭的浸漬劑，通過活性炭一浸漬一烘干一活化一改性活性炭工藝研究，研制出一種新型空氣凈化材料。通過實(shí)驗(yàn)室凈化性能試驗(yàn)和密閉空間使用評價(jià)試驗(yàn)證明，該材料對室內(nèi)空氣污染(主要目標(biāo)污染物為苯、硫化氫、甲醛)有很好的吸附和催化作用，治理效果明顯。同時(shí)，本研究還提出了使用改性活性炭凈化室內(nèi)空氣的合理化建議。
　　【關(guān)鍵詞】活性炭　浸漬劑　凈化材料　空氣凈化
　　
　　一、研究背景
　　
　　去年。我們裝修新家，我父親從單位拿回一麻袋活性炭布(做防毒服后的下腳料)，布滿了整個(gè)房間。對此，我產(chǎn)生了好奇：小小的布塊能否除去大量的污染物?它是對某種污染物有凈化能力，還是對大多數(shù)污染物有效?這些布塊是分解了污染物，還是吸附了污染物?吸附飽和后還有效果嗎?如何連續(xù)使用?帶著這些疑問，我請教了幾位專家叔叔，在他們的指導(dǎo)下，通過在普通活性炭中添加一些活性成分，對活性炭進(jìn)行改性，嘗試研制一種復(fù)合、廣譜、高效的空氣凈化材料，同時(shí)驗(yàn)證這些簡易的凈化材料在家庭中的使用方式。
　　
　　二、材料與方法
　　
　　1　材料
　　活性炭BN-09(寧夏西北奔?；钚蕴坑邢薰?，為柱狀，粒徑0.9mm，碳酸銅、碳酸鉀(化學(xué)純)，乙二胺(化學(xué)純)，均從試劑商店購得。
　　
　　
　　2　儀器
　　鼓風(fēng)干燥箱、管狀電爐、4160-2型甲醛分析儀、PPbRAE總揮發(fā)有機(jī)物測定儀、HP6890氣相色譜儀。
　　3　改性活性炭的制備工藝
　　制備改性炭工藝流程如下：
　　以活性炭總重量的15％為基準(zhǔn)，按一定的比例通過浸漬一烘干一活化工藝流程，制備出含碳酸銅6wt％、碳酸鉀3wt％、乙二胺6wt％的改性活性炭(簡稱MC，或稱改性炭)。添加物的比例是通過大量的正交試驗(yàn)和參考他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的，為最佳配方，見表1、表2。
　　4　活性炭及改性活性炭對污染物凈化性能實(shí)驗(yàn)室比較測定
　　活性炭對甲醛的凈化性能評價(jià)采用動(dòng)力管吸附實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行，測試條件：動(dòng)力管直徑2cm，床層高度3cm，濾速1.6L／cm²·min，相對濕度50RH％，溫度(20±5)℃。
　　甲醛濃度參照GB T15516-1995(空氣質(zhì)量一甲醛檢測一乙酰丙酮分光光度法測定)測定，評價(jià)裝置如圖1所示。殘留甲醛濃度測定采用甲醛分析儀在線測定。
　　
　　三、過程與結(jié)果
　　
　　1　浸漬劑配方優(yōu)化結(jié)果
　　以家居污染空氣主要目標(biāo)污染物苯、硫化氫、甲醛的凈化效果作為篩選評價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)方法，最佳配方以甲醛的最佳凈化效果為參照點(diǎn)(因?yàn)榧兹┦羌揖迎h(huán)境中較難凈化的污染物之～)，以綜合凈化效果確定浸漬劑最終配方，即樣本5號(hào)配方，見表1。
　　
　　
　　2　改性活性炭性能測試結(jié)果
　　按5號(hào)配方制備改性活性炭。對其進(jìn)行了性能參數(shù)的測定，見表2。表中數(shù)據(jù)均為比較理想的數(shù)據(jù)。
　　3　密閉空間凈化試驗(yàn)結(jié)果
　　改性活性炭分別采用袋裝放置、平攤放置，定期對密閉空間內(nèi)甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物的濃度進(jìn)行測定(房間體積38.28m3)，結(jié)果見表3、表4所示。
　　
　　四、結(jié)果與討論
　　
　　1　改性效果比較
　　由于活性炭(基炭)表面是非極性的，對極性物質(zhì)(污染物)的吸附能力有限，而甲醛為極性物質(zhì)，活性炭對苯系物能有效去除，但對甲醛、氨和硫化氫的去除效果很差。改性后的活性炭具有極性特征，對污染物(特別是甲醛)的吸附能力顯著增強(qiáng)，并同時(shí)與污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì)。
　　實(shí)驗(yàn)中對比研究了改性活性炭(MC)與市售甲醛防護(hù)炭(天津卡奔活性炭有限公司生產(chǎn)的活性炭)對甲醛的凈化效果，在相同實(shí)驗(yàn)條件下。MC是卡奔樣品的10-13倍。
　　2　有害物質(zhì)在改性活性炭上的脫除機(jī)理
　　有害物質(zhì)在改性活性炭上的脫除過程被認(rèn)為是分步完成的(見圖2)。
　　第一步：有害氣體分子從空氣中跑到活性炭顆粒的表面附近：
　　第二步：有害氣體分子在活性炭顆粒的表面鉆入到活性炭的孔隙里；
　　第三步：有害氣體分子在活性炭孑L隙內(nèi)亂撞，與活性部位發(fā)生接觸；
　　第四步：有害氣體分子被活性炭上的活性部位抓??；
　　第五步：有一些有害氣體分子又獲得自由，從活性部位逃離，并且擴(kuò)散；
　　第六步：逃離的有害氣體分子與孔隙中的浸漬劑發(fā)生反應(yīng)；
　　第七步：一些不穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物在吸附劑上的吸附較弱，從大孔區(qū)域脫離，進(jìn)入活性炭顆粒周圍的空氣中，通過擴(kuò)散。從活性炭顆粒中跑掉。
　　3　改性活性炭對甲醛的動(dòng)態(tài)吸附
　　動(dòng)態(tài)吸附是改性活性炭裝填層在氣流中對甲醛的吸附。從吸附性能的影響因素來看，動(dòng)態(tài)吸附比靜態(tài)吸附復(fù)雜。
　　當(dāng)含有一定流量和濃度的甲醛蒸氣一空氣混合氣流通過炭層時(shí)，甲醛蒸氣濃度在炭層中，沿氣流方向逐漸降低，直到距離出口某一距離上，濃度降為零。隨著氣流不斷通入，靠近進(jìn)氣口的炭吸附層逐漸飽和，從飽和層透出的甲醛蒸氣進(jìn)入下一層。如此，隨著通氣時(shí)間的延長，飽和層逐漸后移。當(dāng)飽和層推進(jìn)到炭層末端時(shí)，整個(gè)炭層被完全穿透。當(dāng)出氣口甲醛蒸氣濃度達(dá)到對人員最低傷害的濃度時(shí)，認(rèn)定炭層失效(見圖1)。我們目前在家中常用的空氣凈化器就是依據(jù)該原理設(shè)計(jì)的。
　　4　密閉空間凈化效果分析
　　從圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)。當(dāng)活性炭采用袋裝放置方式時(shí)，在初始階段，活性炭對甲醛和揮發(fā)性有機(jī)物的吸附凈化效果非常明顯。甲醛含量約下降8.6％。揮發(fā)性有機(jī)含量下降33％，這說明活性炭放置量偏少，房子空間偏大。但隨著時(shí)間延長。室內(nèi)甲醛的濃度明顯上升，甚至超過最初的甲醛濃度；即使時(shí)間延長，由于桌椅在不停地釋放污染氣體，室內(nèi)甲醛的濃度也沒有明顯的下降，表明袋裝活性炭的吸附速度慢。凈化效果差。當(dāng)活性炭采用平攤放置方式時(shí)，在初始階段，活性炭對甲醛的吸附凈化效果非常明顯，甲醛含量下降47％，揮發(fā)性有機(jī)物下降32％；隨著時(shí)間延長，雖然室內(nèi)還在不停地釋放甲醛，但活性炭對甲醛依然具有吸附凈化效果；這是由于活性炭采用平攤放置方式，與甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物的接觸面積大，吸附速度快，可以對甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行充分吸附。也就是說，活性炭采用平攤放置方式，對室內(nèi)中甲醛的吸附凈化效果明顯好于袋裝放置方式。
　　圖3、圖4中的甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物濃度在幾天后，出現(xiàn)上升拐點(diǎn)，是由于室內(nèi)溫度有較大上升，導(dǎo)致家具中的甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物揮發(fā)速度比前幾天快，而活性炭的吸附凈化速度又跟不上甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物的揮發(fā)速度，因此，出現(xiàn)圖中的上升拐點(diǎn)現(xiàn)象。
　　通過綜合效果的判斷，活性炭采用平攤放置方式，對室內(nèi)中甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物的綜合凈化效果明顯好于袋裝放置方式。
　　在實(shí)驗(yàn)過程中，幫助我的老師們告訴我，憑他們的工作經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過我改性處理過的活性炭能到達(dá)這樣的吸附凈化效果，是相當(dāng)不錯(cuò)的；如果活性炭沒有經(jīng)過改性處理。對甲醛的吸附效果非常差。此外，我們還在開窗通風(fēng)時(shí)，使用改性活性炭，與僅開窗通風(fēng)進(jìn)行比較試驗(yàn)，使用改性活性炭后，可以在一天內(nèi)，使甲醛的濃度低于國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)0.1mg／m³，達(dá)到安全要求。建議在新裝修房間內(nèi)的家具(書柜、櫥柜、衣柜)等可以開、關(guān)的小密閉空間，放置一定量的袋裝活性炭(MC) (類似有些家庭放置樟腦丸)，一周左右后拿到太陽底下曝曬一天，有條件時(shí)，可在較高溫度下(<120℃)烘烤幾個(gè)小時(shí)，再重復(fù)放置，可以去除緩慢放出的有害氣體。而對面積較大的房間，在通風(fēng)情況下，平攤放置活性炭(MC)，半月左右即可人住。
　　該材料在使用過程中易受多種污染物的污染，使凈化效能下降。此外，活性炭對甲醛的催化性能還需改進(jìn)提高。
　　該材料在空氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用較廣，一方面可以簡單分裝做成滿足不同凈化空間的不同規(guī)格的凈化盒，按要求放置在相應(yīng)家居、家具或轎車內(nèi)等，適用于污染較輕的場所；另一方面可以作為過濾凈化器的裝填材料，可以一次性安裝，也可定期更換使用，適合污染較重、空間較大的場所。
　　
　　五、結(jié)論
　　
　　1　本課題以柱狀活性炭為基炭，以金屬碳酸鹽、有機(jī)胺為浸漬試劑。采用浸漬一烘干一活化工藝成功開發(fā)了一種全新的高效綜合氣體凈化材料，該材料對室內(nèi)空氣污染有很好吸附和催化作用，治理效果明顯。
　　2　提出使用改性活性炭凈化室內(nèi)污染物的合理化建議，即對緩慢釋放有害氣體的較小密閉空間(如家具、櫥柜)，使用袋裝改性活性炭2天后，需要活化一次；而對大空間(如單元間)，可采用平攤改性活性炭。加通風(fēng)的方式凈化空氣。一周后，對改性活性炭重新活化處理(烘烤或太陽底下曝曬)，否則改性活性炭會(huì)重新釋放污染物。
　　
　　六、收獲與體會(huì)
　　
　　通過這次的實(shí)驗(yàn)探究，我充分體會(huì)了實(shí)踐在科學(xué)探究中的重要性，以及看似深?yuàn)W的科學(xué)技術(shù)，只要你用心鉆研，終能在努力下被攻克，并了解到其本質(zhì)是一些與日常生活有密切聯(lián)系的東西。
　　這次從日常生活中的小問題獲得靈感并展開研究最終取得滿意的結(jié)果，讓我認(rèn)識(shí)到“科技以人為本”的重要性。生活中一直存在，卻又被我們所忽視的一些問題，例如飲水機(jī)，抽油煙機(jī)的污染凈化；洗衣機(jī)，馬桶污染去除問題等，都能通過認(rèn)真的分析與鉆研，找出合理而實(shí)用的解決方法。探索，永無止境；創(chuàng)新，永不言棄!
　　
　　專家點(diǎn)評
　　家居裝修后的污染，特別是甲醛、氨、氮等氣體污染，歷來為人們所關(guān)注。作者選擇與國計(jì)民生密切相關(guān)的常見問題．開展研究，項(xiàng)目具有明顯的實(shí)用性．．作者的研究是在比較專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室完成的．有專家指導(dǎo)，科學(xué)性較強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也不特別復(fù)雜，可以自己動(dòng)手完成．有自主