一種定量表征海泡石氣體吸附性能的檢測方法研究

歐陽東紅，周清椿，喻浩然，楊靖源

(1.湘潭海泡石科技有限公司 湖南省海泡石資源高效利用工程技術(shù)研究中心，湖南 湘潭 411100；2.中國非金屬礦工業(yè)協(xié)會，北京 100022)

海泡石是一種含水富鎂硅酸鹽天然黏土礦物，在其晶體結(jié)構(gòu)單元中，硅氧四面體和鎂氧八面體相互交替，具有層狀和鏈狀的過渡型結(jié)構(gòu)特征，有許多與纖維延長方向一致的管狀貫穿通[1]。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得海泡石具有大的比表面積和孔容積，有貫穿整個結(jié)構(gòu)的通道和孔隙，表面還存在三類活性中心[2]，能與吸附物之間形成作用力，這些特征讓海泡石具備了良好的吸附能力，使其能吸附大部分的化合物尤其是極性化合物[3-6]。目前利用海泡石優(yōu)良的吸附性能開發(fā)的空氣凈化產(chǎn)品大量出現(xiàn)，單靠傳統(tǒng)的比表面積來間接表征吸附性能已難以適應(yīng)要求；市面上的全自動智能重量法蒸汽/氣體吸附分析儀雖然也能準確表征吸附效果，但是設(shè)備價格較貴。因此，本文開發(fā)和應(yīng)用了一種成本低、操作簡單、直接、準確地定量表征海泡石氣體吸附容量的分析方法，為海泡石用于空氣凈化吸附材料提供合理的試驗基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

海泡石顆粒：湘潭海泡石科技有限公司。四氯化碳：分析純；氨水：25%～28%；甲醛：36%～ 38%；三甲胺：33%；二氯甲烷、乙酸甲酯、甲醇、乙醇：分析純；乙酸乙酯：化學(xué)純；振蕩器：JNJZ-2。

1.2 吸附容量測定原理

由空氣壓縮機提供的空氣源經(jīng)過濃硫酸、無水氯化鈣過濾除雜，空氣瓶緩沖后進入氣體發(fā)生瓶，帶動吸附質(zhì)氣體共同通過毛細管柱，通過控制壓差來調(diào)節(jié)吸附質(zhì)氣體的流量，最后進入裝有海泡石顆粒的測定管中，吸附120min后，對比吸附前后海泡石顆粒的質(zhì)量，從而得出其吸附容量。

1.3 吸附性能的測定方法[7]

將裝置各部件和安裝好的儀器進行氣密檢查(圖1)。稱量測定管空管的重量，將(20±0.2)g海泡石顆粒分兩至三次裝入測定管中，通過振蕩器振實，然后在蓋口處涂凡士林進行密封，將裝好并稱量的測定管與儀器連通，垂直放入恒溫水浴中，打開空氣壓縮機和發(fā)生瓶活塞，至氣體發(fā)生瓶中產(chǎn)生氣泡時開始計時，同時調(diào)節(jié)好壓差至指定數(shù)值，通氣120min后，取下測定管，關(guān)閉壓縮空氣，稱取吸附后的測定管總重，吸附前后測定管的質(zhì)量差即為海泡石顆粒的氣體吸附量。

圖1 吸附容量實驗裝置圖

1.4 吸附容量的計算

將測得樣品吸附甲醛氣體前后的質(zhì)量差，用以下公式計算：吸附容量=(mt-m0)/(my-mk)×100，式中：mt—試驗后測定管和樣品的質(zhì)量(g)；m0—試驗前測定管和樣品的質(zhì)量(g)；my—測定管和海泡石樣品的質(zhì)量(g)；mk—空測定管的質(zhì)量(g)。兩份平行樣品各測定一次，允許誤差應(yīng)小于10%，結(jié)果以算術(shù)平均值表示，精確至0.1mg/g[8]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同吸附質(zhì)氣體對海泡石顆粒吸附性能的影響

吸附質(zhì)氣體的選取要求是沸點低于100℃的易揮發(fā)的有機物，在確保其他試驗條件相同的情況下，不同的吸附質(zhì)氣體對海泡石顆粒的吸附能力有較大的影響(表1)。

表1 不同吸附質(zhì)氣體對海泡石顆粒吸附性能的影響

最終確定利用乙酸乙酯作為吸附質(zhì)氣體來表征海泡石顆粒的吸附性能，原因有以下幾點：①乙酸乙酯為極性有機化合物，相比于非極性的物質(zhì)如四氯化碳，更有利于海泡石的吸附；②乙酸乙酯的分子直徑為0.67nm，而甲醛、苯、甲苯等空氣污染物的分子直徑均小于乙酸乙酯，海泡石能吸附乙酸乙酯，自然分子直徑小于乙酸乙酯的物質(zhì)也能進入海泡石的孔道被其吸附，因此海泡石顆粒對乙酸乙酯的吸附能力能直接表示其對空氣中主要污染物的吸附能力[9]；③乙酸乙酯相比于甲醛等有害物質(zhì)毒性較低，對于操作人員有利；④二氯甲烷(39.8℃)等低沸點的有機物，為保證其揮發(fā)濃度不至于過高造成危險，必須將氣體發(fā)生瓶的溫度控制至0℃附近，而乙酸乙酯的沸點為77℃，較高的沸點使得其發(fā)生瓶溫度保持在室溫，其氣體濃度也不會過高，從而使得試驗操作過程更簡便；⑤海泡石對水有較強的吸附能力，而市面上甲醛、三甲胺等都是以溶液的形式存在，難以排除其中水的干擾，而一般乙酸乙酯的純度都在99.5%以上，來源廣泛，不需要考慮雜質(zhì)的影響，試驗結(jié)果準確。

2.2 不同氣體發(fā)生瓶溫度對海泡石顆粒吸附性能的影響

在確保吸附劑用量相同的情況下，氣體發(fā)生瓶的溫度不同，海泡石空氣凈化劑的吸附容量就不同(表2)，當(dāng)發(fā)生瓶溫度為20℃時，其效果最好，2h海泡石顆粒的氣體吸附容量達到158.9mg/g，且對同一個樣品、同一個溫度、同一根測定管進行了平行試驗，其測定結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。

2.3 不同吸附溫度對海泡石顆粒吸附性能的影響

在確保吸附劑用量相同、發(fā)生瓶溫度為20℃的情況下(表3)，測定管吸附的溫度不同，海泡石顆粒的氣體吸附容量就不同，當(dāng)測定管吸附溫度為10℃時，其效果最好。

表3 不同吸附溫度對海泡石顆粒吸附性能的影響

2.4 不同毛細管比速(壓差)對海泡石顆粒吸附性能的影響

通過計量單位的檢定，該款毛細管流量計的壓差范圍為59～140mm之間，氣體流量控制在此壓差范圍內(nèi)得出的結(jié)果準確，壓差是根據(jù)比速和測定管截面積計算所得[10]。在確保吸附劑用量相同、發(fā)生瓶溫度為20℃、測定管溫度為10℃的條件下(表4)，壓差不同，海泡石顆粒的氣體吸附容量就不同，當(dāng)毛細管流量計的比速為0.65L/(min·cm2)時，根據(jù)不同的測定管面積，其壓差分別為120mm、133mm、123mm、136mm，其 效 果 最 好，2h海泡石空氣凈化劑的吸附容量達到184.3mg/g、178.5mg/g、172.3mg/g、160.0mg/g，且同一個樣品不同的測定管，其測定結(jié)果誤差在15%以內(nèi)。

表4 不同的壓差對于海泡石顆粒吸附性能的影響

2.5 海泡石顆粒尺寸對吸附性能的影響

海泡石顆粒尺寸以區(qū)間表示，表示所有的顆粒尺寸均在此粒徑范圍內(nèi)，顆粒百分含量為100%。不同尺寸海泡石顆粒對其吸附性能有影響(表5)，顆粒直徑為1～1.5mm時，其吸附效果越好，2h乙酸乙酯吸附容量達到184.3mg/g，效果最優(yōu)。

表5 海泡石顆粒尺寸對吸附性能的影響

2.6 壓縮空氣對海泡石吸附性能的影響

在不通入乙酸乙酯的情況下，考察不同海泡石顆粒對壓縮空氣的吸附效果(表6)。1.5～2.5mm和1～ 1.5mm海泡石顆粒在相同的條件下的乙酸乙酯吸附容量分別為184.3mg/g和181.1mg/g，而其單純對壓縮空氣的吸附最大量為10.9mg/g和16.8mg/g，相對總體的吸附容量而言其占比很少，故將其忽略。主要原因是壓縮空氣的主要成分是N2和O2，為非極性分子，海泡石對非極性分子的吸附量很小。

表6 壓縮空氣對海泡石吸附性能的影響

2.7 吸附時間對海泡石吸附性能的影響

在確保發(fā)生瓶溫度為20℃、測定管溫度為10℃、毛細管比速為0.65L/(min·cm2)的條件下(表7)，對同一個樣品、同一個溫度、同一根測定管進行了連續(xù)試驗，當(dāng)吸附時間為2h時，其乙酸乙酯的吸附容量為184.3mg/g，隨著時間的增加，其吸附容量基本沒有變化，說明在此試驗條件下趨于飽和。考慮到時間和成本，為了更便捷及時地指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)，確定吸附時間為2h最合適。

表7 吸附時間對海泡石吸附性能的影響

2.8 海泡石空氣凈化劑產(chǎn)品平行試驗

在確保吸附劑用量相同、吸附時間為初始2h、發(fā)生瓶溫度為20℃、測定管溫度為10℃、毛細管比速為0.65L/(min·cm2)的條件下(表8)，對同一個樣品、同一個溫度、同一根測定管進行了平行試驗，其測定結(jié)果誤差均在10%以內(nèi)，滿足方法測定的允許誤差要求，表明測定裝置的穩(wěn)定性較好。

表8 海泡石空氣凈化劑產(chǎn)品平行試驗結(jié)果

3 結(jié)論與討論

(1)在吸附質(zhì)采用乙酸乙酯，吸附時間為初始2h，乙酸乙酯蒸氣發(fā)生瓶的溫度為20℃，吸附溫度10℃，毛細管比速為0.65L/(min·cm2)等試驗條件下，海泡石顆粒的吸附容量能達到184.3mg/g。

(2)該檢測方法經(jīng)過平行試驗，誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，穩(wěn)定度高且原理可靠，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便、安全，成本低，能同時檢測多個樣品，可直接表征海泡石顆粒的吸附性能的優(yōu)劣。

(3)該吸附方法的測定裝置相較于市面上的全自動智能重量法蒸汽/氣體吸附分析儀而言，存在明顯的價格優(yōu)勢。