三聚磷酸二氢铝对氨气的吸附动力学研究

程秀莲，宋恩军，任广军，周 琦，霸书红

（1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

三聚磷酸二氢铝对氨气的吸附动力学研究

程秀莲1，宋恩军2，任广军2，周 琦2，霸书红1

（1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

在真空干燥器中，加入一定量待测气体的水溶液，保持真空干燥器中待测气体浓度恒定。利用此装置研究了氨气浓度、三聚磷酸二氢铝吸附大气和水蒸气后，对三聚磷酸二氢铝吸附氨气动力学的影响。结果表明，三聚磷酸二氢铝吸附氨气，可用一级动力学方程和Elovich动力学方程模型描述；氨水浓度对吸附量和平衡吸附时间有显著影响；三聚磷酸二氢铝吸附空气后，对吸附量和平衡吸附时间无影响；三聚磷酸二氢铝吸附水蒸气后，对吸附量和平衡吸附时间均有影响。

三聚磷酸二氢铝；吸附；氨；动力学

前 言

氨通常以气体形式吸入人体，容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能，对人体造成伤害。国家卫生部1996年颁布的公共场所卫生标准制定了《理发店、美容店卫生标准》,其中规定，空气中氨气不超过0.5mg/m3，卫生部卫法监发[2001]255号文件颁布了《室内空气质量卫生规范》,规定室内空气中氨浓度限量值为0.2mg/m3。

在美发行业氨作为发用化妆品（包括染发剂、冷烫精）中的原料起到调节pH值的重要作用，属中华人民共和国卫生部《化妆品卫生规范》规定的化妆品限用物质。氨在染、烫发过程中可完全挥发到空气中，使用量大时，室内空气中氨的浓度能达到非常高的浓度，可对消费者、特别是工作人员造成极大的人体伤害。现行的美发店因房间面积小，大多数室内空气中氨皆超过国家规定的标准[1]。

安平平等[2]报道哈尔滨市装修住宅氨超标率为57.3%,超过3倍以上的占总数40.9%,最高值超过国家4.1倍；黑河市在装修后2个月内,室内氨气普遍超标,甚至达到100%,8个月之内氨气超标率也比较高；长春市室内空气氨超标率达到79.4%。室内氨污染主要来自建筑施工中使用的混凝土外加剂[3]和室内装饰材料,比如家具涂饰时所用的添加剂和增白剂大部分都用氨水,它的挥发造成室内空气污染。

目前，对美发室内氨污染多是采用自然通风和机械通风等排放方式；一般住宅只能以开窗通风来减轻氨污染，对于东北地区冬季，是不能保证安全的；多数高档写字楼为密闭式设计，通风条件很差，大面积的玻璃幕墙根本无窗可开，即便开窗，因为开度有限也很难达到通风的目的。只有将空气中的氨去除，才能从根本上解决由于空气不流通而使氨污染加重的问题。

三聚磷酸二氢铝(AlH2P3O10·2H2O)是酸强度弱而酸性度大的固体酸,难溶于水，且具有层状结构。层状结构使其有利于与气相或液相中的分子结合或交换。近年来，白丽娟等进行了三聚磷酸二氢铝用于吸附铜、锌、铅等离子的动力学研究[4-6]，袁爱群等进行了三聚磷酸二氢铝用于吸附氨气等碱性气体的研究[7]，但未见三聚磷酸二氢铝吸附气体的动力学研究，本文主要研究了三聚磷酸二氢铝吸附氨气的动力学。吸附动力学主要研究被吸附物质浓度等外界条件对吸附速度的影响，为确定吸附剂的使用条件和时间奠定基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

101—1A电热干燥箱：宁波自动化仪表厂；JA 5003电子天平：上海电子天平厂；真空干燥器等。三聚磷酸二氢铝：自制;氨水：NH3·H2O含量≥25%～28%，沈阳市东陵区精细化学厂。

1.2 实验方法

（1）对氨气和水蒸汽吸附量测定

将一定浓度适量的氨水或水放入真空干燥器中，关闭活塞，在其中形成氨气或水蒸气的饱和气相。将三聚磷酸二氢铝于120℃烘干至恒重，迅速准确称取2.000g三聚磷酸二氢铝，将其均匀地铺在75mm的培养皿中，放入充满饱和氨气或水蒸汽的干燥器中。定时称量三聚磷酸二氢铝质量，计算质量变化量。

（2）对空气吸附量测定

将三聚磷酸二氢铝于120℃烘干至恒重，迅速准确称取2.000g三聚磷酸二氢铝，将其均匀地铺在75mm的培养皿中，放入真空干燥器中，打开活塞，保持与大气相通。定时称量三聚磷酸二氢铝质量，计算质量变化量。

2 结果与分析

2.1 氨浓度对三聚磷酸二氢铝吸附氨气性能的影响

2.1.1 对吸附量和平衡吸附时间的影响

配置20%和25%氨水各200mL,在两个干燥器中分别加入相同量的20%和25%氨水，再加入2.000g干燥的三聚磷酸二氢铝，在室温下，测定不同时间三聚磷酸二氢铝对氨气的吸附量，其数据见图1。

图1 氨水浓度和吸附时间与吸附量的关系Fig.1 Effect of ammonia concentration on adsorption time and adsorption capacity

由图1中实验数据可知，氨水浓度提高了5%，饱和吸附量提高了120mg/g,达到平衡吸附时间缩短了72h。因此，氨水浓度对对吸附量和平衡吸附时间有显著影响。三聚磷酸二氢铝对氨气的吸附是可逆吸附。

2.1.2 对吸附动力学的影响

常见动力学方程的微分式和积分式见表1。

表1 常见动力学方程的微分式和积分式Table 1 Differential and integral representations of common kinetics equations

对图1中的实验数据分别进行一级动力学方程、二级吸附动力学方程和Elovich动力学方程积分式的线性拟合，用最小二乘法检验其线性相关性，通过直线的斜率和截距计算得到的动力学参数，其结果见表2。

表2 各动力学方程积分式和相关系数Table 2 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表2中相关系数可见，三聚磷酸二氢铝吸附氨气与一级动力学方程和Elovich方程的线性相关性都大于0.96，线性相关性高。氨水浓度为20%时，与二级动力学方程积分式的线性相关性最大；氨水浓度为25%时，与Elovich方程的线性相关性最大。氨水浓度对吸附动力学模型无影响，但对吸附速率常数有一定影响。

2.2 三聚磷酸二氢铝吸附空气对吸氨性能的影响

2.2.1 对吸附量和平衡吸附时间的影响

配置25%氨水400mL,在两个干燥器中分别加入相同量的25%氨水，再分别加入2.000g干燥的和吸附空气后的三聚磷酸二氢铝，在室温下，测定不同时间三聚磷酸二氢铝对氨气的吸附量，其数据见图2。

图2 三聚磷酸二氢铝吸附空气后对吸氨量的影响Fig.2 The effect of absorption of air on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on its ammonia absorption capacity

由图2中实验数据可知，三聚磷酸二氢铝吸附空气后，饱和吸附量下降了94mg/g,由于实验测得三聚磷酸二氢铝吸附空气的饱和吸附量为95 mg/g，因此，三聚磷酸二氢总吸附量基本未变，达到平衡吸附时间也未发生变化。

2.2.2 对吸附动力学的影响

对图2中的实验数据分别进行一级动力学方程、二级吸附动力学方程和Elovich动力学方程积分式的线性拟合，用最小二乘法检验其线性相关性，通过直线的斜率和截距计算得到的动力学参数，其结果见表3。

表3 各动力学方程积分式和相关系数Table 3 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表3中相关系数可见，三聚磷酸二氢铝吸附空气后，对吸附动力学模型无影响，但Elovich动力学方程中的b值减小了39，一级动力学方程中的k1值增大了0.003。

2.3 三聚磷酸二氢铝吸附水蒸气对吸氨性能的影响

2.3.1 对吸附量和平衡吸附时间的影响

配置25%氨水400mL,在两个干燥器中分别加入相同量的25%氨水，再分别加入2.000g干燥的和吸附水蒸气后的三聚磷酸二氢铝，在室温下，测定不同时间三聚磷酸二氢铝对氨气的吸附量，其数据见图3。

图3 三聚磷酸二氢铝吸附水蒸气对吸氨量的影响Fig.3 The effect of absorption of water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on its ammonia absorption capacity

由图3中实验数据可见，三聚磷酸二氢铝吸水后，饱和吸附氨气量减小了99mg/g,达到饱和吸附的时间缩短了24h。由于实验测得三聚磷酸二氢铝吸附水蒸气的饱和吸附量为138 mg/g，因此，三聚磷酸二氢铝的总吸附量提高了。这是由于氨易溶于水，水对氨有一定的吸附能力，因此导致三聚磷酸二氢铝吸水后，虽吸附氨能力下降，但总吸附能力增强，且达吸附平衡的时间缩短的结果。

2.3.2 对吸附动力学的影响

对图3中的实验数据分别进行一级动力学方程、二级吸附动力学方程和Elovich动力学方程积分式的线性拟合，用最小二乘法检验其线性相关性，通过直线的斜率和截距计算得到的动力学参数，其结果见表4。

表4 各动力学方程积分式和相关系数Table 4 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表4中相关系数可见，三聚磷酸二氢铝吸附水蒸气后，对吸附动力学模型无影响，但Elovich动力学方程中的b值减小了68，一级动力学方程中的k1值增大了0.019。

2.4 吸附动力学模型的确定

由2.1～2.3中各因素对动力学的影响可见，各组实验数据与一级动力学方程和Elovich动力学方程的线性相关性都大于等于0.95。因此，三聚磷酸二氢铝吸附氨气的动力学，可用一级动力学方程和Elovich动力学方程模型描述。

2.5 三聚磷酸二氢铝吸附氨气机理探索

三聚磷酸铝(AlH2P3O10·2H2O)是一种酸强度弱而酸性度大的固体酸,氨是碱性气体，三聚磷酸二氢铝吸附氨气机理是化学吸附，吸附反应为：2NH3+AlH2P3O10·2H2O→Al(NH4)2P3O10·2H2O，按此化学反应计算AlH2P3O10·2H2O理论吸附氨量为106.9mg/g，而AlH2P3O10·2H2O的实测吸附氨量可达540 mg/g，是理论吸附量的5倍，显然不仅仅存在化学吸附。化学吸附是单分子层吸附，而物理吸附可以是多层吸附。

3 结论

(1)三聚磷酸二氢铝吸附氨气的动力学，可用一级动力学方程和Elovich动力学方程模型描述。

(2)氨水浓度对吸附量和平衡吸附时间有显著影响，对吸附动力学无影响。

(3)三聚磷酸二氢铝吸附空气后，对吸附量和平衡吸附时间无影响，对吸附动力学无影响。

(4)三聚磷酸二氢铝吸附水蒸气后，对吸附量和平衡吸附时间均有影响，对吸附动力学无影响。

［1］张占义，曲卫中，何淑萍，等.控制和消除染烫发氨污染的建议［J］.医学信息,2010，23（10）：3703.

［2］安平平，黄文鹏.室内空气中氨污染现状［J］.科技创新导报,2010，（6）：148～149.

［3］韩树青，薛志明，马蔚，等.混凝土外加剂氨污染的评估［J］.中华劳动卫生职业病杂志,2002,20(3)：214～215.

［4］白丽娟，黄增尉,马少妹，等.三聚磷酸二氢铝对水中铜离子的吸附动力学［J］.环境科学与技术，2009，32（8）：27～30.

［5］黄增尉,白丽娟,袁爱群,等.三聚磷酸二氢铝吸附Pb2+的动力学研究［J］.化学工程，2009，37（9）：5～8.

［6］白丽娟,陈东莲,黄增尉，等.三聚磷酸二氢铝吸附Zn2+的动力学［J］.桂林工学院学报，2009，29（3）：338～342.

［7］袁爱群,李月芳,黄平.三聚磷酸铝冰箱吸味剂的研制［J］.四川化工与腐蚀控制，1999，2（5）：11～13.

Adsorption Kinetics of Ammonia on Aluminum Dihydrogen Tripolyphosphate

CHENG Xiu-lian1,SONG En-jun2,REN Guang-jun2,ZHOU Qi2and BA Shu-hong1
（1.College of Accoutrement Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.College of Environment and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The aqueous solution of gas with a certain mass to be determined is put in vacuum dryer and the gas concentration is kept constant in vacuum dryer.Then the effects of ammonia concentration and adsorption of air and water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on adsorption kinetics of ammonia on aluminum dihydrogen tripolyphosphate are studied by utilizing this device.The results show that the adsorption kinetics of ammonia on aluminum dihydrogen tripolyphosphate can be described by first-order kinetic equation and Elovich kinetic equation model.The ammonia concentration has a great effect on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time,and there are no effects of adsorption air on aluminum dihydrogen tripolyphosphate air on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time.However,adsorption of water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate has influences on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time.

Aluminum dihydrogen tripolyphosphate;adsorption;ammonia;kinetics

TQ424.3

A

1001-0017（2012）03-0023-04

2011-12-02

程秀莲(1965-)，女，安徽人，硕士，教授，主要从事环境治理和涂料、胶黏剂等精细化学品的研究与开发。