三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附動力學(xué)研究

程秀蓮，宋恩軍，任廣軍，周 琦，霸書紅

（1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附動力學(xué)研究

程秀蓮1，宋恩軍2，任廣軍2，周 琦2，霸書紅1

（1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

在真空干燥器中，加入一定量待測氣體的水溶液，保持真空干燥器中待測氣體濃度恒定。利用此裝置研究了氨氣濃度、三聚磷酸二氫鋁吸附大氣和水蒸氣后，對三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣動力學(xué)的影響。結(jié)果表明，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣，可用一級動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程模型描述；氨水濃度對吸附量和平衡吸附時間有顯著影響；三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，對吸附量和平衡吸附時間無影響；三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣后，對吸附量和平衡吸附時間均有影響。

三聚磷酸二氫鋁；吸附；氨；動力學(xué)

前 言

氨通常以氣體形式吸入人體，容易通過肺泡進入血液，與血紅蛋白結(jié)合，破壞運氧功能，對人體造成傷害。國家衛(wèi)生部1996年頒布的公共場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)制定了《理發(fā)店、美容店衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》,其中規(guī)定，空氣中氨氣不超過0.5mg/m3，衛(wèi)生部衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[2001]255號文件頒布了《室內(nèi)空氣質(zhì)量衛(wèi)生規(guī)范》,規(guī)定室內(nèi)空氣中氨濃度限量值為0.2mg/m3。

在美發(fā)行業(yè)氨作為發(fā)用化妝品（包括染發(fā)劑、冷燙精）中的原料起到調(diào)節(jié)pH值的重要作用，屬中華人民共和國衛(wèi)生部《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定的化妝品限用物質(zhì)。氨在染、燙發(fā)過程中可完全揮發(fā)到空氣中，使用量大時，室內(nèi)空氣中氨的濃度能達到非常高的濃度，可對消費者、特別是工作人員造成極大的人體傷害?，F(xiàn)行的美發(fā)店因房間面積小，大多數(shù)室內(nèi)空氣中氨皆超過國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

安平平等[2]報道哈爾濱市裝修住宅氨超標(biāo)率為57.3%,超過3倍以上的占總數(shù)40.9%,最高值超過國家4.1倍；黑河市在裝修后2個月內(nèi),室內(nèi)氨氣普遍超標(biāo),甚至達到100%,8個月之內(nèi)氨氣超標(biāo)率也比較高；長春市室內(nèi)空氣氨超標(biāo)率達到79.4%。室內(nèi)氨污染主要來自建筑施工中使用的混凝土外加劑[3]和室內(nèi)裝飾材料,比如家具涂飾時所用的添加劑和增白劑大部分都用氨水,它的揮發(fā)造成室內(nèi)空氣污染。

目前，對美發(fā)室內(nèi)氨污染多是采用自然通風(fēng)和機械通風(fēng)等排放方式；一般住宅只能以開窗通風(fēng)來減輕氨污染，對于東北地區(qū)冬季，是不能保證安全的；多數(shù)高檔寫字樓為密閉式設(shè)計，通風(fēng)條件很差，大面積的玻璃幕墻根本無窗可開，即便開窗，因為開度有限也很難達到通風(fēng)的目的。只有將空氣中的氨去除，才能從根本上解決由于空氣不流通而使氨污染加重的問題。

三聚磷酸二氫鋁(AlH2P3O10·2H2O)是酸強度弱而酸性度大的固體酸,難溶于水，且具有層狀結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)使其有利于與氣相或液相中的分子結(jié)合或交換。近年來，白麗娟等進行了三聚磷酸二氫鋁用于吸附銅、鋅、鉛等離子的動力學(xué)研究[4-6]，袁愛群等進行了三聚磷酸二氫鋁用于吸附氨氣等堿性氣體的研究[7]，但未見三聚磷酸二氫鋁吸附氣體的動力學(xué)研究，本文主要研究了三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣的動力學(xué)。吸附動力學(xué)主要研究被吸附物質(zhì)濃度等外界條件對吸附速度的影響，為確定吸附劑的使用條件和時間奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

101—1A電熱干燥箱：寧波自動化儀表廠；JA 5003電子天平：上海電子天平廠；真空干燥器等。三聚磷酸二氫鋁：自制;氨水：NH3·H2O含量≥25%～28%，沈陽市東陵區(qū)精細化學(xué)廠。

1.2 實驗方法

（1）對氨氣和水蒸汽吸附量測定

將一定濃度適量的氨水或水放入真空干燥器中，關(guān)閉活塞，在其中形成氨氣或水蒸氣的飽和氣相。將三聚磷酸二氫鋁于120℃烘干至恒重，迅速準(zhǔn)確稱取2.000g三聚磷酸二氫鋁，將其均勻地鋪在75mm的培養(yǎng)皿中，放入充滿飽和氨氣或水蒸汽的干燥器中。定時稱量三聚磷酸二氫鋁質(zhì)量，計算質(zhì)量變化量。

（2）對空氣吸附量測定

將三聚磷酸二氫鋁于120℃烘干至恒重，迅速準(zhǔn)確稱取2.000g三聚磷酸二氫鋁，將其均勻地鋪在75mm的培養(yǎng)皿中，放入真空干燥器中，打開活塞，保持與大氣相通。定時稱量三聚磷酸二氫鋁質(zhì)量，計算質(zhì)量變化量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨濃度對三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣性能的影響

2.1.1 對吸附量和平衡吸附時間的影響

配置20%和25%氨水各200mL,在兩個干燥器中分別加入相同量的20%和25%氨水，再加入2.000g干燥的三聚磷酸二氫鋁，在室溫下，測定不同時間三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附量，其數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 氨水濃度和吸附時間與吸附量的關(guān)系Fig.1 Effect of ammonia concentration on adsorption time and adsorption capacity

由圖1中實驗數(shù)據(jù)可知，氨水濃度提高了5%，飽和吸附量提高了120mg/g,達到平衡吸附時間縮短了72h。因此，氨水濃度對對吸附量和平衡吸附時間有顯著影響。三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附是可逆吸附。

2.1.2 對吸附動力學(xué)的影響

常見動力學(xué)方程的微分式和積分式見表1。

表1 常見動力學(xué)方程的微分式和積分式Table 1 Differential and integral representations of common kinetics equations

對圖1中的實驗數(shù)據(jù)分別進行一級動力學(xué)方程、二級吸附動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程積分式的線性擬合，用最小二乘法檢驗其線性相關(guān)性，通過直線的斜率和截距計算得到的動力學(xué)參數(shù)，其結(jié)果見表2。

表2 各動力學(xué)方程積分式和相關(guān)系數(shù)Table 2 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表2中相關(guān)系數(shù)可見，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣與一級動力學(xué)方程和Elovich方程的線性相關(guān)性都大于0.96，線性相關(guān)性高。氨水濃度為20%時，與二級動力學(xué)方程積分式的線性相關(guān)性最大；氨水濃度為25%時，與Elovich方程的線性相關(guān)性最大。氨水濃度對吸附動力學(xué)模型無影響，但對吸附速率常數(shù)有一定影響。

2.2 三聚磷酸二氫鋁吸附空氣對吸氨性能的影響

2.2.1 對吸附量和平衡吸附時間的影響

配置25%氨水400mL,在兩個干燥器中分別加入相同量的25%氨水，再分別加入2.000g干燥的和吸附空氣后的三聚磷酸二氫鋁，在室溫下，測定不同時間三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附量，其數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后對吸氨量的影響Fig.2 The effect of absorption of air on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on its ammonia absorption capacity

由圖2中實驗數(shù)據(jù)可知，三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，飽和吸附量下降了94mg/g,由于實驗測得三聚磷酸二氫鋁吸附空氣的飽和吸附量為95 mg/g，因此，三聚磷酸二氫總吸附量基本未變，達到平衡吸附時間也未發(fā)生變化。

2.2.2 對吸附動力學(xué)的影響

對圖2中的實驗數(shù)據(jù)分別進行一級動力學(xué)方程、二級吸附動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程積分式的線性擬合，用最小二乘法檢驗其線性相關(guān)性，通過直線的斜率和截距計算得到的動力學(xué)參數(shù)，其結(jié)果見表3。

表3 各動力學(xué)方程積分式和相關(guān)系數(shù)Table 3 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表3中相關(guān)系數(shù)可見，三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，對吸附動力學(xué)模型無影響，但Elovich動力學(xué)方程中的b值減小了39，一級動力學(xué)方程中的k1值增大了0.003。

2.3 三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣對吸氨性能的影響

2.3.1 對吸附量和平衡吸附時間的影響

配置25%氨水400mL,在兩個干燥器中分別加入相同量的25%氨水，再分別加入2.000g干燥的和吸附水蒸氣后的三聚磷酸二氫鋁，在室溫下，測定不同時間三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附量，其數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣對吸氨量的影響Fig.3 The effect of absorption of water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on its ammonia absorption capacity

由圖3中實驗數(shù)據(jù)可見，三聚磷酸二氫鋁吸水后，飽和吸附氨氣量減小了99mg/g,達到飽和吸附的時間縮短了24h。由于實驗測得三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣的飽和吸附量為138 mg/g，因此，三聚磷酸二氫鋁的總吸附量提高了。這是由于氨易溶于水，水對氨有一定的吸附能力，因此導(dǎo)致三聚磷酸二氫鋁吸水后，雖吸附氨能力下降，但總吸附能力增強，且達吸附平衡的時間縮短的結(jié)果。

2.3.2 對吸附動力學(xué)的影響

對圖3中的實驗數(shù)據(jù)分別進行一級動力學(xué)方程、二級吸附動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程積分式的線性擬合，用最小二乘法檢驗其線性相關(guān)性，通過直線的斜率和截距計算得到的動力學(xué)參數(shù)，其結(jié)果見表4。

表4 各動力學(xué)方程積分式和相關(guān)系數(shù)Table 4 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表4中相關(guān)系數(shù)可見，三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣后，對吸附動力學(xué)模型無影響，但Elovich動力學(xué)方程中的b值減小了68，一級動力學(xué)方程中的k1值增大了0.019。

2.4 吸附動力學(xué)模型的確定

由2.1～2.3中各因素對動力學(xué)的影響可見，各組實驗數(shù)據(jù)與一級動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程的線性相關(guān)性都大于等于0.95。因此，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣的動力學(xué)，可用一級動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程模型描述。

2.5 三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣機理探索

三聚磷酸鋁(AlH2P3O10·2H2O)是一種酸強度弱而酸性度大的固體酸,氨是堿性氣體，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣機理是化學(xué)吸附，吸附反應(yīng)為：2NH3+AlH2P3O10·2H2O→Al(NH4)2P3O10·2H2O，按此化學(xué)反應(yīng)計算AlH2P3O10·2H2O理論吸附氨量為106.9mg/g，而AlH2P3O10·2H2O的實測吸附氨量可達540 mg/g，是理論吸附量的5倍，顯然不僅僅存在化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附是單分子層吸附，而物理吸附可以是多層吸附。

3 結(jié)論

(1)三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣的動力學(xué)，可用一級動力學(xué)方程和Elovich動力學(xué)方程模型描述。

(2)氨水濃度對吸附量和平衡吸附時間有顯著影響，對吸附動力學(xué)無影響。

(3)三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，對吸附量和平衡吸附時間無影響，對吸附動力學(xué)無影響。

(4)三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣后，對吸附量和平衡吸附時間均有影響，對吸附動力學(xué)無影響。

［1］張占義，曲衛(wèi)中，何淑萍，等.控制和消除染燙發(fā)氨污染的建議［J］.醫(yī)學(xué)信息,2010，23（10）：3703.

［2］安平平，黃文鵬.室內(nèi)空氣中氨污染現(xiàn)狀［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010，（6）：148～149.

［3］韓樹青，薛志明，馬蔚，等.混凝土外加劑氨污染的評估［J］.中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志,2002,20(3)：214～215.

［4］白麗娟，黃增尉,馬少妹，等.三聚磷酸二氫鋁對水中銅離子的吸附動力學(xué)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（8）：27～30.

［5］黃增尉,白麗娟,袁愛群,等.三聚磷酸二氫鋁吸附Pb2+的動力學(xué)研究［J］.化學(xué)工程，2009，37（9）：5～8.

［6］白麗娟,陳東蓮,黃增尉，等.三聚磷酸二氫鋁吸附Zn2+的動力學(xué)［J］.桂林工學(xué)院學(xué)報，2009，29（3）：338～342.

［7］袁愛群,李月芳,黃平.三聚磷酸鋁冰箱吸味劑的研制［J］.四川化工與腐蝕控制，1999，2（5）：11～13.

Adsorption Kinetics of Ammonia on Aluminum Dihydrogen Tripolyphosphate

CHENG Xiu-lian1,SONG En-jun2,REN Guang-jun2,ZHOU Qi2and BA Shu-hong1
（1.College of Accoutrement Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.College of Environment and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The aqueous solution of gas with a certain mass to be determined is put in vacuum dryer and the gas concentration is kept constant in vacuum dryer.Then the effects of ammonia concentration and adsorption of air and water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on adsorption kinetics of ammonia on aluminum dihydrogen tripolyphosphate are studied by utilizing this device.The results show that the adsorption kinetics of ammonia on aluminum dihydrogen tripolyphosphate can be described by first-order kinetic equation and Elovich kinetic equation model.The ammonia concentration has a great effect on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time,and there are no effects of adsorption air on aluminum dihydrogen tripolyphosphate air on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time.However,adsorption of water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate has influences on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time.

Aluminum dihydrogen tripolyphosphate;adsorption;ammonia;kinetics

TQ424.3

A

1001-0017（2012）03-0023-04

2011-12-02

程秀蓮(1965-)，女，安徽人，碩士，教授，主要從事環(huán)境治理和涂料、膠黏劑等精細化學(xué)品的研究與開發(fā)。