負(fù)載納米TiO2-ACF新型防毒口罩實(shí)驗(yàn)研究

王永明，邱 源，李彩云，努 娜，王會(huì)婭，王 勇

（1.武警學(xué)院 基礎(chǔ)部，河北 廊坊 065000；2.武警學(xué)院 防火工程系，河北 廊坊 065000）

防護(hù)面罩可分為全面罩和半面罩兩種結(jié)構(gòu)，防護(hù)口罩屬于半面罩，主要分為防塵的工業(yè)用口罩和防菌的醫(yī)療用口罩［1-2］。無論是工業(yè)級(jí)口罩還是醫(yī)療用口罩都是以物理阻擋為主［3］，即主要是對(duì)環(huán)境中的微塵、病毒、飛沫等進(jìn)行阻擋。但隨著我國工業(yè)化程度的不斷提高，各種有毒有害物質(zhì)會(huì)不可避免地排放到空氣中，而這些物質(zhì)會(huì)隨著空氣通過普通口罩進(jìn)入人的呼吸系統(tǒng)，故口罩的功能不能只局限于物理阻擋，還應(yīng)該對(duì)通過口罩的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行無害化處理，從而真正起到防護(hù)效果。本文將無毒、穩(wěn)定、價(jià)廉且具有光催化作用［4-9］的TiO2負(fù)載于ACF（活性炭纖維），并將其應(yīng)用于口罩上，使其能夠降解通過口罩的有毒有害物質(zhì)，從而使口罩起到真正的防護(hù)防毒功能。

1 口罩的改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)以N95型口罩（見圖1）為原型，在其原有的3層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加1層負(fù)載有納米TiO2的ACF，并置于原口罩的外層與中間層之間。ACF型號(hào)為TS-073，厚度為3.5～4mm，由江蘇南通通森活性炭有限公司生產(chǎn)，見圖2。

圖1 N95口罩

2 負(fù)載有納米TiO2的ACF降解苯效果檢測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)

圖2 負(fù)載納米TiO2的ACF

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)箱為自制的實(shí)驗(yàn)箱（見圖3），選擇厚度為3mm的有機(jī)玻璃材料，具有良好的密封性和抗壓性。長(zhǎng)寬高分別為60cm、25cm、50cm。箱體分為二部分，左邊是氣體生成室，右邊為氣體降解室。兩箱體之間用有機(jī)玻璃隔開，h處裝帶電風(fēng)扇的裝置，上面預(yù)留一定的窗口，既保持兩室的相對(duì)獨(dú)立性又保持兩室之間的相通性，使產(chǎn)生的氣態(tài)苯能夠在箱體內(nèi)循環(huán)以達(dá)到苯濃度的均勻分布。氣體生成室留有進(jìn)料孔，降解室留有檢測(cè)孔，并在中間設(shè)有格柵板用于放置負(fù)載納米TiO2的ACF。

圖3 實(shí)驗(yàn)箱立體圖

2.1.2 檢測(cè)儀器的選擇

本實(shí)驗(yàn)選擇手持式ppbRAE TVOC快速檢測(cè)儀（型號(hào)PGM-7240）。該儀器的靈敏度高（能夠檢測(cè)十億分之一氣態(tài)有機(jī)化合物）、檢測(cè)量程大（量程：0～9999×10-9、0～200×10-6）、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)（電池為可充電鎳氫電池，能夠連續(xù)工作10h）、自動(dòng)抽氣取樣（400 mL／min）、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、檢測(cè)及時(shí)等特點(diǎn)。

2.1.3 降解對(duì)象苯的選擇

苯為無色油狀液體，有特殊芳香氣味，易揮發(fā)，沸點(diǎn)為80.1℃，不溶于水，易溶于醇、醚、丙酮等多數(shù)有機(jī)溶劑。苯蒸氣比空氣重2.77倍，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方。苯極其穩(wěn)定，在1 000℃高溫下也不發(fā)生熱解，常溫下需要強(qiáng)氧化劑才能發(fā)生反應(yīng)。苯是芳香族化合物中的代表物質(zhì)，相比較而言，也是芳香族化合物中最難降解的物質(zhì)。苯的來源廣、毒性大、污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)人們的生活和環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［10-11］，早于1993年就被世界衛(wèi)生組織（WHO）確定為致癌物，人吸入24 000mg／m3濃度的苯蒸氣30min或64 000mg／m3濃度5～10min可致死。成人口服致死量為10mL。苯可經(jīng)呼吸道、消化道或者皮膚吸收。本實(shí)驗(yàn)主要檢測(cè)負(fù)載有納米TiO2的ACF降解性能。由于苯在有機(jī)污染物中的穩(wěn)定性最好，危害性比較大，在國內(nèi)防毒面具的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中基本上是采用苯來代替有機(jī)污染物的防毒性能測(cè)試［12］，如果能夠降解苯，一般的有機(jī)污染物也能降解，因此本實(shí)驗(yàn)采用苯作為降解對(duì)象。

2.2 降解實(shí)驗(yàn)

2.2.1 空白實(shí)驗(yàn)

密封自制實(shí)驗(yàn)箱，用手持式ppbRAE TVOC快速檢測(cè)儀檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為0時(shí)，注入28μL苯，并用手持式ppbRAE TVOC快速檢測(cè)儀每隔5s讀取一次數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 濃度隨時(shí)間變化曲線

從圖4可以看出：注入苯后，濃度很快達(dá)到最大值，超過3h后濃度仍保持不變，這說明苯具有很好的擴(kuò)散能力，而且自制容器的密封性很好。

2.2.2 負(fù)載納米TiO2的ACF的制備

本實(shí)驗(yàn)的ACF尺寸是根據(jù)防毒口罩的所需尺寸來確定（約為0.16m2）。因ACF表面可能附著有灰塵、無機(jī)物、有機(jī)物等，故需對(duì)ACF進(jìn)行預(yù)處理：將裁好的ACF放入盛有去離子水的超聲波清洗儀中浸泡10min，放入離心機(jī)中離心15min（實(shí)驗(yàn)表明離心15 min后兩次之間的質(zhì)量幾乎不發(fā)生變化）以除去表面的灰塵；將離心甩干后的ACF放入盛有3%稀鹽酸的超聲波清洗儀中浸泡10min，再放入離心機(jī)中離心15 min以除去無機(jī)雜質(zhì)；將鹽酸處理后的ACF放入盛有無水乙醇的超聲波清洗儀中浸泡10min，再放入離心機(jī)中離心15min以除去有機(jī)雜質(zhì)；將處理后的ACF放入烘箱中烘干，溫度調(diào)節(jié)到120℃，升溫速率為6℃／min，恒溫3h后取出稱量備用。

將5.0g高催化活性TiO2粉末通過高速旋轉(zhuǎn)的磁子均勻分散到1L去離子水中，將其轉(zhuǎn)入超聲波振蕩器中，并將處理好的ACF放入其中振蕩一定時(shí)間（根據(jù)負(fù)載量的多少來確定振蕩的時(shí)間）后取出離心15min，并放入烘箱中保持溫度在400℃左右加熱2h后自然降溫到室溫稱量后備用。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

對(duì)負(fù)載有納米TiO2的ACF進(jìn)行降解苯污染物實(shí)驗(yàn)。苯初始濃度為200×103mg／m3，實(shí)驗(yàn)溫度為20℃，下一次實(shí)驗(yàn)是當(dāng)上一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)變?yōu)?時(shí)繼續(xù)注入苯并進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在進(jìn)行的17次實(shí)驗(yàn)中，前13次所用時(shí)間基本相同，10min左右可以將苯降解，第14次到17次時(shí)間從15min逐漸延長(zhǎng)到50min，說明負(fù)載有TiO2的ACF在前13次都能夠很好地催化降解苯。前13次共催化降解苯0.32g，對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度為6 280 mg／m3，是國家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB／T18883—2002（苯的安全值0.11mg／m3）的57 090倍；所用時(shí)間106 min，這說明在苯濃度較高的情況下添加TiO2-ACF結(jié)構(gòu)層的口罩可以有效防止苯的傷害。

圖5 負(fù)載TiO2的ACF連續(xù)降解苯曲線

3 結(jié)論與展望

本文研制的口罩除了有防塵、阻菌的作用外，還有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：添加TiO2的ACF層是將吸附性能更佳的活性炭粉末通過特殊工藝載附到滌綸纖維上制成的，其孔徑?。?.7～2.0nm），比表面積大，具有良好的吸附性和集塵效果；負(fù)載于ACF上的納米TiO2能夠?qū)τ卸練怏w進(jìn)行有效的催化降解；ACF孔徑在1.7～2.0nm 之間，對(duì)PM2.5等多種有毒有害物質(zhì)具有很強(qiáng)的隔斷效果；負(fù)載TiO2-ACF新型防毒口罩可以通過對(duì)填充物加熱處理后重復(fù)利用。

圖6 負(fù)載TiO2的ACF降解苯的次數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線

苯屬于小分子物質(zhì)，能夠隨著空氣進(jìn)入人的呼吸系統(tǒng)，負(fù)載TiO2的ACF對(duì)苯可以起到很好的催化降解作用。為阻止苯等有毒有害物質(zhì)盡可能少地進(jìn)入人的呼吸系統(tǒng)，還需對(duì)口罩的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀等進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，使口罩真正起到防護(hù)作用，這些方面還有待進(jìn)一步研究。

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