改性活性炭净化家居污染空气实验研究_活性炭的作用和功效

　　【摘要】本研究立足于物理吸附和化学催化相结合的空气净化技术，优选碳酸铜、碳酸钾、乙二胺作为改性活性炭的浸渍剂，通过活性炭一浸渍一烘干一活化一改性活性炭工艺研究，研制出一种新型空气净化材料。通过实验室净化性能试验和密闭空间使用评价试验证明，该材料对室内空气污染(主要目标污染物为苯、硫化氢、甲醛)有很好的吸附和催化作用，治理效果明显。同时，本研究还提出了使用改性活性炭净化室内空气的合理化建议。
　　【关键词】活性炭　浸渍剂　净化材料　空气净化
　　
　　一、研究背景
　　
　　去年。我们装修新家，我父亲从单位拿回一麻袋活性炭布(做防毒服后的下脚料)，布满了整个房间。对此，我产生了好奇：小小的布块能否除去大量的污染物?它是对某种污染物有净化能力，还是对大多数污染物有效?这些布块是分解了污染物，还是吸附了污染物?吸附饱和后还有效果吗?如何连续使用?带着这些疑问，我请教了几位专家叔叔，在他们的指导下，通过在普通活性炭中添加一些活性成分，对活性炭进行改性，尝试研制一种复合、广谱、高效的空气净化材料，同时验证这些简易的净化材料在家庭中的使用方式。
　　
　　二、材料与方法
　　
　　1　材料
　　活性炭BN-09(宁夏西北奔牛活性炭有限公司)，为柱状，粒径0.9mm，碳酸铜、碳酸钾(化学纯)，乙二胺(化学纯)，均从试剂商店购得。
　　
　　
　　2　仪器
　　鼓风干燥箱、管状电炉、4160-2型甲醛分析仪、PPbRAE总挥发有机物测定仪、HP6890气相色谱仪。
　　3　改性活性炭的制备工艺
　　制备改性炭工艺流程如下：
　　以活性炭总重量的15％为基准，按一定的比例通过浸渍一烘干一活化工艺流程，制备出含碳酸铜6wt％、碳酸钾3wt％、乙二胺6wt％的改性活性炭(简称MC，或称改性炭)。添加物的比例是通过大量的正交试验和参考他人的实验结果确定的，为最佳配方，见表1、表2。
　　4　活性炭及改性活性炭对污染物净化性能实验室比较测定
　　活性炭对甲醛的净化性能评价采用动力管吸附实验来进行，测试条件：动力管直径2cm，床层高度3cm，滤速1.6L／cm2・min，相对湿度50RH％，温度(20±5)℃。
　　甲醛浓度参照GB T15516-1995(空气质量一甲醛检测一乙酰丙酮分光光度法测定)测定，评价装置如图1所示。残留甲醛浓度测定采用甲醛分析仪在线测定。
　　
　　三、过程与结果
　　
　　1　浸渍剂配方优化结果
　　以家居污染空气主要目标污染物苯、硫化氢、甲醛的净化效果作为筛选评价指标，采用正交试验方法，最佳配方以甲醛的最佳净化效果为参照点(因为甲醛是家居环境中较难净化的污染物之～)，以综合净化效果确定 浸渍剂最终配方，即样本5号配方，见表1。
　　
　　
　　2　改性活性炭性能测试结果
　　按5号配方制备改性活性炭。对其进行了性能参数的测定，见表2。表中数据均为比较理想的数据。
　　3　密闭空间净化试验结果
　　改性活性炭分别采用袋装放置、平摊放置，定期对密闭空间内甲醛、挥发性有机物的浓度进行测定(房间体积38.28m3)，结果见表3、表4所示。
　　
　　四、结果与讨论
　　
　　1　改性效果比较
　　由于活性炭(基炭)表面是非极性的，对极性物质(污染物)的吸附能力有限，而甲醛为极性物质，活性炭对苯系物能有效去除，但对甲醛、氨和硫化氢的去除效果很差。改性后的活性炭具有极性特征，对污染物(特别是甲醛)的吸附能力显著增强，并同时与污染物发生化学反应，将其转化为无毒无害物质。
　　实验中对比研究了改性活性炭(MC)与市售甲醛防护炭(天津卡奔活性炭有限公司生产的活性炭)对甲醛的净化效果，在相同实验条件下。MC是卡奔样品的10-13倍。
　　2　有害物质在改性活性炭上的脱除机理
　　有害物质在改性活性炭上的脱除过程被认为是分步完成的(见图2)。
　　第一步：有害气体分子从空气中跑到活性炭颗粒的表面附近：
　　第二步：有害气体分子在活性炭颗粒的表面钻入到活性炭的孔隙里；
　　第三步：有害气体分子在活性炭孑L隙内乱撞，与活性部位发生接触；
　　第四步：有害气体分子被活性炭上的活性部位抓住；
　　第五步：有一些有害气体分子又获得自由，从活性部位逃离，并且扩散；
　　第六步：逃离的有害气体分子与孔隙中的浸渍剂发生反应；
　　第七步：一些不稳定的反应产物在吸附剂上的吸附较弱，从大孔区域脱离，进入活性炭颗粒周围的空气中，通过扩散。从活性炭颗粒中跑掉。
　　3　改性活性炭对甲醛的动态吸附
　　动态吸附是改性活性炭装填层在气流中对甲醛的吸附。从吸附性能的影响因素来看，动态吸附比静态吸附复杂。
　　当含有一定流量和浓度的甲醛蒸气一空气混合气流通过炭层时，甲醛蒸气浓度在炭层中，沿气流方向逐渐降低，直到距离出口某一距离上，浓度降为零。随着气流不断通入，靠近进气口的炭吸附层逐渐饱和，从饱和层透出的甲醛蒸气进入下一层。如此，随着通气时间的延长，饱和层逐渐后移。当饱和层推进到炭层末端时，整个炭层被完全穿透。当出气口甲醛蒸气浓度达到对人员最低伤害的浓度时，认定炭层失效(见图1)。我们目前在家中常用的空气净化器就是依据该原理设计的。
　　4　密闭空间净化效果分析
　　从图3、图4可以发现。当活性炭采用袋装放置方式时，在初始阶段，活性炭对甲醛和挥发性有机物的吸附净化效果非常明显。甲醛含量约下降8.6％。挥发性有机含量下降33％，这说明活性炭放置量偏少，房子空间偏大。但随着时间延长。室内甲醛的浓度明显上升，甚至超过最初的甲醛浓度；即使时间延长，由于桌椅在不停地释放污染气体，室内甲醛的浓度也没有明显的下降，表明袋装活性炭的吸附速度慢。净化效果差。当活性炭采用平摊放置方式时，在初始阶段，活性炭对甲醛的吸附净化效果非常明显，甲醛含量下降47％，挥发性有机物下降32％；随着时间延长，虽然室内还在不停地释放甲醛，但活性炭对甲醛依然具有吸附净化效果；这是由于活性炭采用平摊放置方式，与甲醛、挥发性有机物的接触面积大，吸附速度快，可以对甲醛、挥发性有机物进行充分吸附。也就是说，活性炭采用平摊放置方式，对室内中甲醛的吸附净化效果明显好于袋装放置方式。
　　图3、图4中的甲醛、挥发性有机物浓度在几天后，出现上升拐点，是由于室内温度有较大上升，导致家具中的甲醛、挥发性有机物挥发速度比前几天快，而活性炭的吸附净化速度又跟不上甲醛、挥发性有机物的挥发速度，因此，出现图中的上升拐点现象。
　　通过综合效果的判断，活性炭采用平摊放置 方式，对室内中甲醛、挥发性有机物的综合净化效果明显好于袋装放置方式。
　　在实验过程中，帮助我的老师们告诉我，凭他们的工作经验。经过我改性处理过的活性炭能到达这样的吸附净化效果，是相当不错的；如果活性炭没有经过改性处理。对甲醛的吸附效果非常差。此外，我们还在开窗通风时，使用改性活性炭，与仅开窗通风进行比较试验，使用改性活性炭后，可以在一天内，使甲醛的浓度低于国家室内空气质量标准0.1mg／m3，达到安全要求。建议在新装修房间内的家具(书柜、橱柜、衣柜)等可以开、关的小密闭空间，放置一定量的袋装活性炭(MC) (类似有些家庭放置樟脑丸)，一周左右后拿到太阳底下曝晒一天，有条件时，可在较高温度下(