改性活性炭净化家居污染空气实验研究

　　【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(<120℃)烘烤几个小时，再重复放置，可以去除缓慢放出的有害气体。而对面积较大的房间，在通风情况下，平摊放置活性炭(MC)，半月左右即可人住。
　　该材料在使用过程中易受多种污染物的污染，使净化效能下降。此外，活性炭对甲醛的催化性能还需改进提高。
　　该材料在空气净化领域应用较广，一方面可以简单分装做成满足不同净化空间的不同规格的净化盒，按要求放置在相应家居、家具或轿车内等，适用于污染较轻的场所；另一方面可以作为过滤净化器的装填材料，可以一次性安装，也可定期更换使用，适合污染较重、空间较大的场所。
　　
　　五、结论
　　
　　1　本课题以柱状活性炭为基炭，以金属碳酸盐、有机胺为浸渍试剂。采用浸渍一烘干一活化工艺成功开发了一种全新的高效综合气体净化材料，该材料对室内空气污染有很好吸附和催化作用，治理效果明显。
　　2　提出使用改性活性炭净化室内污染物的合理化建议，即对缓慢释放有害气体的较小密闭空间(如家具、橱柜)，使用袋装改性活性炭2天后，需要活化一次；而对大空间(如单元间)，可采用平摊改性活性炭。加通风的方式净化空气。一周后，对改性活性炭重新活化处理(烘烤或太阳底下曝晒)，否则改性活性炭会重新释放污染物。
　　
　　六、收获与体会
　　
　　通过这次的实验探究，我充分体会了实践在科学探究中的重要性，以及看似深奥的科学技术，只要你用心钻研，终能在努力下被攻克，并了解到其本质是一些与日常生活有密切联系的东西。
　　这次从日常生活中的小问题获得灵感并展开研究最终取得满意的结果，让我认识到“科技以人为本”的重要性。生活中一直存在，却又被我们所忽视的一些问题，例如饮水机，抽油烟机的污染净化；洗衣机，马桶污染去除问题等，都能通过认真的分析与钻研，找出合理而实用的解决方法。探索，永无止境；创新，永不言弃!
　　
　　专家点评
　　家居装修后的污染，特别是甲醛、氨、氮等气体污染，历来为人们所关注。作者选择与国计民生密切相关的常见问题．开展研究，项目具有明显的实用性．．作者的研究是在比较专业的实验室完成的．有专家指导，科学性较强；实验目的明确，实验设计也不特别复杂，可以自己动手完成．有自主