微波輔助NH4Cl改性沸石及其在調(diào)濕材料中的應(yīng)用

周 波 鄭佳宜 陳振乾

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096)

空氣濕度是影響建筑室內(nèi)環(huán)境舒適性的重要參數(shù)之一,對(duì)于人體健康、產(chǎn)品生產(chǎn)、物品保護(hù)等均具有重要作用[1]．因此研制出一種能夠依靠自身吸放濕性能感應(yīng)并自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣相對(duì)濕度的墻體調(diào)濕材料具有重要的意義和工程應(yīng)用價(jià)值．

沸石孔隙率高,比表面積大,同時(shí)因有色散力和靜電力的共同作用而具有極強(qiáng)的吸附性,理論上可以吸收其自身質(zhì)量2～3倍的水[2]．由于天然沸石孔道中含沸石水及雜質(zhì),并且相互通聯(lián)程度較差[3],故天然沸石的實(shí)際吸附能力達(dá)不到理論值,要使天然沸石具有良好的調(diào)濕性能,須對(duì)天然沸石進(jìn)行改性處理．國(guó)內(nèi)外普遍采用酸活化、熱活化等化學(xué)方法來對(duì)沸石進(jìn)行改性處理．Janotka等[4]對(duì)天然沸石從結(jié)構(gòu)改性、吸附性及功能材料組裝等方面進(jìn)行了研究;Lee等[5]以特殊季銨鹽為模板劑合成高硅比沸石,熱穩(wěn)定性高達(dá)1100℃;Zhong等[6-7]分別用鹽酸和氟硅酸銨處理沸石,降低了六配位鋁的含量,提高了硅鋁比．由于不同種類的沸石穩(wěn)定性、反應(yīng)活性及其自身孔道結(jié)構(gòu)的特殊性差異較大,因而處理工藝比較復(fù)雜．尋找工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保的新型改性方法對(duì)于沸石應(yīng)用于墻體濕敏材料的研究具有重要意義．近幾年微波技術(shù)成為快速催化及制備高性能新材料的有效方法[8-10],但是微波應(yīng)用于多孔介質(zhì)材料改性的研究卻少有報(bào)道．

因此,本文提出一種通過微波輔助強(qiáng)化NH4Cl溶液活化對(duì)沸石改性的新方法,采用熱穩(wěn)定和耐酸性良好的天然絲光沸石作為研究的基礎(chǔ)材料,制備出一種新型調(diào)濕填料,并研究了微波加熱時(shí)間和功率、環(huán)境濕度等參數(shù)對(duì)沸石調(diào)濕性能的影響,以掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)及低溫吸附等方法系統(tǒng)表征沸石改性前后的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì),對(duì)比測(cè)試其吸、放濕率,為進(jìn)一步開拓改性沸石在墻體濕敏材料上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)．

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 改性沸石的制備

將天然沸石磨細(xì)至100～120目,用干燥器皿裝好,放入烘箱烘干.烘箱溫度設(shè)定為100℃,干燥6h后作為沸石試樣備用.將電子天平精確稱重得到的沸石試樣放入變頻微波爐中,改變加熱時(shí)間和微波功率,得到一次改性沸石試樣.之后用不同濃度的NH4Cl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,2%,3%,4%,5%,6%)在一定功率下經(jīng)微波輻照一定時(shí)間,將處理液倒出,洗凈、烘干,得到二次改性沸石樣品．

1.2 性能測(cè)試方法

在不同微波加熱時(shí)間、微波功率和不同濃度的NH4Cl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,2%,3%,4%,5%,6%)條件下,對(duì)改性沸石吸、放濕速率進(jìn)行測(cè)試:① 人工氣候箱恒溫在25℃,相對(duì)濕度RH維持在80%,將5g沸石試樣放入箱體中,每隔一段時(shí)間稱重,直至24h樣品質(zhì)量變化不超過0.01g,記錄試樣的吸濕量;② 人工氣候箱恒溫在25℃,相對(duì)濕度RH維持在30%,將吸濕飽和的沸石試樣放入箱體中,每隔一段時(shí)間稱重,直至24h樣品質(zhì)量變化不超過0.01g,記錄試樣的放濕量．

在絕對(duì)濕度變化條件下,測(cè)試二次改性沸石試樣的調(diào)濕性能:① 在25℃恒溫、2L密閉容器的相對(duì)濕度分別控制在高濕(濕度為80%,75%,70%,65%)條件下,將10g二次改性沸石試樣放入容器內(nèi),記錄容器中相對(duì)濕度的變化和達(dá)到平衡時(shí)所消耗的時(shí)間;② 在25℃恒溫,2L密閉容器的相對(duì)濕度分別控制在低濕(濕度為30%,35%,40%,45%)條件下,將吸濕飽和的二次改性沸石試樣放入容器內(nèi),記錄容器中相對(duì)濕度的變化和達(dá)到平衡時(shí)所消耗的時(shí)間．

2 結(jié)果與分析

2.1 二次改性沸石的形貌和結(jié)構(gòu)特征

圖1 沸石試樣SEM照片

圖2 氮?dú)馕?脫附曲線

圖3 孔徑分布曲線

圖4 沸石試樣的紅外譜圖

2.2 微波一次改性對(duì)沸石調(diào)濕速率的影響

天然沸石試樣放入變頻微波爐中,改變加熱時(shí)間和微波功率,得到一次改性沸石試樣,將5g一次改性試樣于25℃，RH 80%環(huán)境下吸濕和25℃，RH 30%環(huán)境下放濕,每隔一段時(shí)間稱重,得到吸濕、放濕動(dòng)力曲線如圖5(a)所示．隨著微波加熱時(shí)間的增加,沸石的吸、放濕效果變好,加熱至3min時(shí),沸石的吸、放濕率可提高至6.6%和2.7%．微波加熱功率對(duì)沸石吸、放濕率的影響如圖5(b)所示.在微波加熱時(shí)間同為3min的情況下,加熱功率為100W時(shí),活化改性后的沸石在吸附平衡時(shí)對(duì)水分子的吸、放濕率比天然沸石提高2.8%和1.6%．

2.3 二次改性沸石試樣的調(diào)濕性能分析

圖6分別為25℃，RH 80%環(huán)境下,天然沸石試樣、一次改性沸石試樣、二次改性沸石試樣的吸濕率、放濕率隨時(shí)間的變化曲線.由圖6(a)可知,吸濕36h后,二次改性試樣的吸濕率為32.6%,天然試樣的吸濕率僅為6.6%,二次改性后試樣的吸濕率提高了25%;由圖6(b)可知,二次改性沸石試樣的放濕效果為最佳,放濕36h后,試樣的放濕率為19.56%,天然試樣的放濕率為2.59%,改性試樣的放濕率提高了約17%．

圖5 微波加熱時(shí)間和功率對(duì)吸、放濕率的影響

圖6 25℃，RH 80%環(huán)境下吸、放濕性能

2.4 濕度對(duì)二次改性沸石調(diào)濕性能的影響

由圖7可以看出,二次改性后沸石試樣吸濕、放濕能力顯著提高．在RH 80%條件下,經(jīng)過4.5h可以達(dá)到調(diào)濕平衡,在RH 30%條件下,4h可調(diào)濕平衡;在相對(duì)濕度變化±5%時(shí),調(diào)控時(shí)間均不超過6h.從相對(duì)濕度變化的曲線看出,當(dāng)濕度環(huán)境發(fā)生變化時(shí),二次改性沸石試樣依然可以把相對(duì)濕度控制在56.8%～60.3%范圍內(nèi),說明二次改性后的沸石比天然沸石更適合充當(dāng)墻體濕敏材料．

圖7 二次改性沸石在不同環(huán)境濕度情況下的調(diào)濕性

3 結(jié)論

1) 微波加熱時(shí)間和功率可優(yōu)化沸石吸附性能,采用100 W微波加熱沸石3 min,得到的改性沸石吸附性能最佳.

2) 經(jīng)微波輔助強(qiáng)化和NH4Cl改性后的沸石，其比表面積、平均孔徑和孔容積均比天然沸石要增加；在吸附平衡時(shí)改性沸石對(duì)水分子的吸、放濕率較天然沸石分別提高25%和17%.

3) 經(jīng)微波輔助強(qiáng)化NH4Cl改性后的沸石,在環(huán)境濕度改變的情況下,可以把相對(duì)濕度控制在56.8%～60.3%范圍內(nèi)．

因此，改性沸石試樣的調(diào)濕性能良好,十分適合用作墻體濕敏材料.

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