室內(nèi)甲醛降解新型生物材料的研究

陳一巖，高 銘

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042 ; 2.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

0 前言

近年來，由于室內(nèi)裝修帶來的空氣污染問題和空氣污染造成的負(fù)面案列層出不窮，人們對于甲醛的關(guān)注度逐年提升。例如2018年阿里員工租住的自如的甲醛房事件，人們談甲醛而色變?，F(xiàn)在人們對甲醛的危害早已熟知，但對于如何應(yīng)對、解決室內(nèi)污染卻沒有較好的方法[1-4]。

活性炭以其超強(qiáng)的吸附性能應(yīng)用于眾多行業(yè)中，尤其是對甲醛的吸附性能受到眾多研究者的關(guān)注。活性炭的原材料多為煤炭，由于其再生的時(shí)效性使得活性炭的競爭優(yōu)勢受到一定的限制。以生物原料加工制成的生物炭正好彌補(bǔ)了此項(xiàng)缺點(diǎn)。現(xiàn)今生物質(zhì)炭的原生材料類別廣泛，許多皆是廢棄物材料，可以源源不斷地利用，是可再生的能源，而且制作門檻低、耗資少。與活性炭材料相比，生物炭材料的內(nèi)外表面上有更多數(shù)量的孔洞和復(fù)雜的層隙結(jié)構(gòu)，大大增加了與吸附物質(zhì)接觸到的面積，同時(shí)表面上還可承載大量的官能團(tuán)，吸附效果不比活性炭材料差[5-9]。此外，生物炭還可作為土壤改良劑，在環(huán)境與農(nóng)業(yè)方面作為多功能材料被大量使用，廣受國內(nèi)外科研人士的青睞[10]。利用河南地區(qū)農(nóng)作物副產(chǎn)品——玉米芯為原材料，通過高錳酸鉀對其進(jìn)行改性，制成的改性生物質(zhì)炭，既解決了農(nóng)民副產(chǎn)物處理難的問題，又可以對甲醛進(jìn)行高比例的去除；既避免了空氣污染，又解決了室內(nèi)甲醛的困擾，達(dá)到了廢物利用、解決環(huán)境問題的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

采用洛陽地區(qū)的玉米芯作為原料，此玉米芯具有韌性好、耐磨性強(qiáng)、吸水性好等特點(diǎn)。此外，玉米芯具有大量的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，表面含有多種活性基團(tuán)，可作為較好的吸附材料。實(shí)驗(yàn)儀器與試劑詳情見表1、表2。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器詳情

表2 實(shí)驗(yàn)所用試劑

1.2 改性生物炭的制備

1.2.1炭化條件的選擇

溫度分別設(shè)置為550、650、750 ℃，時(shí)間設(shè)置為1、1.5、2 h，進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。在同一溫度下，其他實(shí)驗(yàn)條件均設(shè)置相同，僅改變炭化時(shí)間，對玉米芯進(jìn)行炭化處理，通過酚試劑利用分光光度計(jì)，來對實(shí)驗(yàn)已完成的不同炭化條件處理過的玉米芯炭進(jìn)行甲醛吸附檢測計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 不同炭化處理的材料吸附情況

計(jì)算公式如下：

式中：k，甲醛氣體吸收效率，%；A，樣品溶液吸光度；A0，空白溶液的吸光度。

玉米芯通常在炭化過程中受到炭化時(shí)間的影響較大，所以炭化條件對于生產(chǎn)的炭化玉米芯的吸附性能具有很大影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，把玉米芯在650 ℃下炭化90 min，得到的玉米芯炭化材料吸附甲醛的吸附率最高，對生物玉米芯炭大規(guī)模生產(chǎn)具有指向性的作用。

1.2.2改性條件的選擇

將制得的玉米芯炭準(zhǔn)確稱取5份，各5 g，分別放置于200 mL錐形瓶中，分別移取配置好的60 mL KMnO4溶液于錐形瓶中，高錳酸鉀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.5%、3%、4.5%和6%。隨后，室溫振蕩3 h，過濾、干燥，進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)。得到的甲醛去除率如圖1所示。

圖1 不同濃度高錳酸鉀改性材料后去除甲醛的效果

結(jié)果表明：采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的高錳酸鉀對玉米芯炭改性處理時(shí)，改性玉米芯炭的甲醛吸附量最大，去除甲醛效果最好，可達(dá)88.73%。以下實(shí)驗(yàn)所采用的改性玉米芯炭均采用3%高錳酸鉀處理過的玉米芯炭。

2 吸附性能測試

2.1 測試準(zhǔn)備

稱量5 g的改性玉米芯炭材料(3%高錳酸鉀浸泡)放于瓶底右側(cè)的稱量皿中，瓶底左側(cè)放置甲醛溶液，干燥容器的總體積為8 L。上方用注射器進(jìn)行空氣采樣，在左上方平衡氣壓球平衡氣壓的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采集注射器內(nèi)的氣體，每間隔20 min對甲醛濃度進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理。實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 甲醛吸附裝置

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程，確保干燥器內(nèi)甲醛含量<0.01 mg/L，瓶內(nèi)溫度與環(huán)境溫度相差≤5 ℃，符合條件時(shí)，實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件的確定

量取5組不同體積的標(biāo)準(zhǔn)甲醛溶液(濃度為10 mg/L)，體積分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mL，分別放于5個(gè)200 mL的錐形瓶中，再增添適量蒸餾水進(jìn)行稀釋，把移取的甲醛溶液的濃度稀釋到標(biāo)準(zhǔn)甲醛溶液濃度的1/10，將200 mL錐形瓶中的已經(jīng)稀釋過的合適濃度的甲醛溶液放入到上述實(shí)驗(yàn)裝置的盛放甲醛溶液的器皿中，干燥瓶中吸附材料器皿中投放改性玉米芯炭的質(zhì)量為5 g，進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖3所示。

圖3 在初始甲醛濃度不同條件下吸附材料達(dá)到吸附平衡的時(shí)間

從圖3可知，起始檢測的初始?xì)鈶B(tài)甲醛濃度與稱取的甲醛溶液濃度成正比，當(dāng)吸附一定時(shí)間，隨后干燥器內(nèi)甲醛濃度較快達(dá)到平衡。從節(jié)省藥品用量，減輕環(huán)境污染的目的出發(fā)，最好的實(shí)驗(yàn)過程是起始甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的投入量應(yīng)為0.25 mL，隨后再進(jìn)行蒸餾水的稀釋，最終進(jìn)行甲醛濃度檢測試驗(yàn)。

2.3 影響因素的確定

2.3.1投加量對甲醛吸附量的影響

在以上實(shí)驗(yàn)裝置中，把0.25 mL稀釋過的甲醛溶液滴于培養(yǎng)皿中的脫脂棉上，稱量皿中分別放入3、4、5、6、7、8 g改性玉米芯炭和未改性的玉米芯炭，進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)。投加吸附材料的質(zhì)量、材料不同，會較大影響甲醛吸附的效果。吸附結(jié)果如圖4所示。

圖4 在吸附材料投加量不同條件下對甲醛吸附的影響

圖4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著投加量的增加，材料吸附效果在增大，但增大是有限度的。在改性玉米芯炭材料在投放量為5 g時(shí)，吸附值達(dá)到最高峰值，其吸附效果最好，最高峰值時(shí)的甲醛吸附量為2.84 mg/g；未改性玉米芯炭生物炭在投放量為6 g時(shí)，吸附效果最好為最高峰值，吸附量1.62 mg/g。

2.3.2吸附溫度對甲醛吸附量的影響

把稀釋過的甲醛溶液置于培養(yǎng)皿中，稱量皿中分別放入5 g改性玉米芯炭和未改性的玉米芯炭5 g，分別在溫度為5、10、15、20、25 ℃下進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附溫度不同時(shí)對吸附材料吸附甲醛的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)的溫度對于改性的玉米芯炭吸附甲醛的吸附效率有較大影響，在開始時(shí)，吸附量會隨著溫度的升高而變大，因?yàn)榇藭r(shí)吸附材料的吸附活性較好。等溫度過高時(shí)，甲醛吸附的效率反而逐漸下降。改性的玉米芯炭材料在實(shí)驗(yàn)溫度為15 ℃時(shí)，達(dá)到了最高峰值，吸附甲醛的效果最高，為2.37 mg/g；未改性玉米芯炭通過實(shí)驗(yàn)在10 ℃時(shí)，達(dá)到最高峰值，吸附效果最好，為1.93 mg/g。

2.3.3甲醛初始濃度對吸附量的影響

移取一定體積的甲醛溶液，用適量的蒸餾水進(jìn)行稀釋，得到了6組濃度不同的甲醛初始溶液(每組的質(zhì)量濃度依次是5、10、20、30、40、50 mg/L)，將不同組的甲醛初始溶液放置于溶液皿中，準(zhǔn)確稱取5 g改性玉米芯炭與5 g未改性玉米芯炭分別放入稱量皿里，進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖6所示。

圖6 甲醛初始濃度不同時(shí)對吸附材料吸附量的影響

圖6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在初始濃度不同時(shí)，玉米芯炭吸附甲醛的吸附度隨甲醛濃度變化較大，當(dāng)玉米芯炭的固定的吸附量達(dá)到峰值時(shí)，吸附速率有所降低。當(dāng)起始的甲醛溶液濃度為5 mg/L時(shí)，改性玉米芯炭的吸附量的值為1.37 mg/g，未改性玉米芯炭的吸附量為0.9 mg/g；當(dāng)起始的甲醛溶液濃度為50 mg/L時(shí)，改性玉米芯炭的吸附量為2.73 mg/g，未改性玉米芯炭的吸附量為2.18 mg/g。

3 結(jié)論

在制備改性生物炭時(shí)，浸漬的高錳酸鉀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，去除效率最高可達(dá)88.73%[8]。根據(jù)吳秋雨[11]的影響面實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中不同甲醛的初始濃度對實(shí)驗(yàn)材料吸附甲醛的影響程度最高，而試驗(yàn)中不同的吸附溫度影響甲醛的程度最少。此次依靠研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終探索出最合適的降解吸附甲醛的條件：實(shí)驗(yàn)起始甲醛的質(zhì)量濃度為0.3 g/L，環(huán)境溫度為15 ℃，投加改性炭化玉米芯材料量為5 g時(shí)，吸附甲醛的效果最好。