氨基酸型甲醛吸附材料制备及净化效果研究

郑 希

(云南林业职业技术学院生态与环境工程学院,昆明 650000)

·试验研究·

氨基酸型甲醛吸附材料制备及净化效果研究

郑 希

(云南林业职业技术学院生态与环境工程学院,昆明 650000)

通过浸渍法制备出氨基酸型甲醛吸附净化材料，并考察了甲醛气体浓度及流速、温度、不同甘氨酸浸渍液浓度、pH值等对模拟甲醛污染空气的净化效果，发现甘氨酸溶液浸渍时间不同制备的吸附净化材料对甲醛的去除率影响不大,净化效果均可达80%以上；净化温度升高不利于甲醛的去除；甲醛去除率随甘氨酸pH值的增加而增加。研究成果有一定应用价值。

甲醛；氨基酸；甘氨酸；吸附；净化

1 材料与方法

1.1 试剂及仪器

所用药品均为分析纯。甘氨酸(上海伯奥生物科技有限公司)；乙酰丙酮(上海展云化工有限公司)；氢氧化钠(上海试四赫维化工有限公司)；甲醛溶液(37%～40%)(重庆川东化工集团有限公司)；盐酸(重庆川东化工集团有限公司)；定量滤纸(杭州新华纸业有限公司)。pHS-3C型精密pH计(上海精密科学仪器有限公司)；UV-2100紫外-可见光分光光度计(尤尼柯上海仪器有限公司)；XQC-15E空气采样器(江苏金坛环宇科学仪器厂)；501A型超级恒温器(上海实验仪器厂有限公司)；双功能气浴恒温振荡器(金坛市金波实验仪器厂)。

1.2 吸附材料的制备

选择定量滤纸作为吸附材料载体介质。将滤纸剪成直径为7cm的圆形纸片，在25℃下烘干至恒重，然后浸渍于50 mL一定浓度和pH值的甘氨酸溶液，在恒温振荡器中25℃恒温震荡30min后取出，再在干燥箱中25℃条件下干燥至恒重后取出，制得吸附材料，置于干燥器中备用。甘氨酸负载量根据浸渍前后的质量差进行计算。

1.3 实验流程

采用鼓泡法，将一定流量的空气鼓入甲醛溶液，产生的饱和甲醛混合气经与空气混合稀释后，贮存于体积约为150L的聚乙烯气袋中，并用深色布遮盖，尽可能减少光照条件下因缓慢氧化而使气体浓度和形态发生变化。采用乙酰丙酮分光光度法测定气袋中甲醛浓度。实验装置及流程如图1所示。

1.气袋;2.空气采样器;3.转子流量计;4.恒温水浴锅;5.截止阀;6.吸附反应器;7.玻璃三通;8.进口气体取样口;9.出口气体取样口;10.截止阀;11.玻璃三通图1 实验流程示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental process

吸附材料固定于的吸附反应器中(内径为7cm)，吸附反应器置于超级恒温器中。空气采样器主要提供动力，气袋内的气体以一定的流速经过吸附材料，采用乙酰丙酮分光光度法测定进出口甲醛浓度[13]。通过比较进出口浓度差异来评价净化效果。主要考察不同甘氨酸浸渍液浓度及pH值、甲醛气体的浓度和流速等条件下，吸附净化材料对模拟甲醛污染空气的净化效果，反应温度控制在25℃±0.5℃。

2 结果与讨论

2.1 浸渍时间的影响

分别将空白吸附载体浸渍在10%的甘氨酸溶液中，恒温25℃振荡器中振荡0.5h，2h，4h，8h。再在干燥箱中110℃干燥至恒重后取出，制得吸附材料。在25℃测定净化效率。甘氨酸负载量与浸渍时间的关系如下表所示。

表 甘氨酸负载量与浸渍时间的关系Tab. The relationship between dipping time and load of glycine

浸渍时间对甲醛去除效果的影响如图2所示。

图2 浸渍时间对甲醛去除率的影响Fig.2 Influence of dipping time on theremoval ratio of formaldehyde

由上表可见，甘氨酸的负载量并不随着浸渍时间的增加而增加，当滤纸浸渍到0.5h后，溶液中负载在滤纸上的氨基酸量已达饱和，由图2可见，在不同的浸渍时间下甲醛去除率基本一致，由此可知浸渍时间对甲醛的去除效果没有明显影响，在100min后反应完全。由此可见，滤纸的表面积决定了滤纸的负载量， 与浸渍在甘氨酸溶液的时间无关。

2.2 净化温度的影响

将空白载体浸渍于10%的甘氨酸溶液中，在恒温振荡器中以25℃振荡0.5h后取出，再在干燥箱中干燥至恒重后取出，制得吸附材料。将反应器温度控制在25℃、35℃、45℃、55℃。净化效率随温度的变化如图3所示。

图3 温度对甲醛去除率的影响Fig.3 Influence of temperature on the removal ratio of formaldehyde

由图3可知，当吸附温度为25℃时，吸附材料对甲醛的吸附量最高。随着温度的升高,吸附量减少。由此得出甲醛与甘氨酸的反应是放热反应，温度低有利于反应的进行。当甘氨酸制成吸附净化材料后，影响吸附净化效果的主要因素为吸附过程与反应速度。温度越高，气体分子扩散越快，不利于吸附过程，同时高温不利于放热反应的进行，使得整个吸附净化效果较差。因此应将吸附净化材料周围的温度控制较低将有利于吸附的进行。

2.3 浸渍液浓度对甲醛去除率的影响

将空白载体浸渍于不同浓度的甘氨酸溶液中，在恒温振荡器中以25℃振荡0.5h后取出，再在干燥箱中干燥至恒重后取出，制得吸附材料。不同浸渍液浓度条件下制备的吸附材料中甘氨酸的负载量图4所示。

图4可以看出，慢速滤纸中甘氨酸的负载量随着浸渍浓度的增加而增大，当浸渍液浓度由5%增加到10%时，甘氨酸负载量变化明显，由0.178 4g甘氨酸/g载体增加到0.329 9g甘氨酸/g载体，负载量增加了84.93%，而当浸渍液浓度由10%增加到20%时，甘氨酸负载量由0.329 9g甘氨酸/g载体增加到0.379 3g甘氨酸/g载体，负载量仅增加了14.97%，这说明空白载体的负载量已经接近饱和。由实验数据可以看出，滤纸的甘氨酸负载量会随着浓度的增加而增加，但是负载量也不是无限制的增加，当负载量达到饱和时，将不再增加，因此，在制备吸附材料时，浸渍液浓度达到15%就可以达到饱和的负载量。

图4 浸渍液浓度对甘氨酸负载量的影响Fig.4 Influence of glycine concentration on the load of glycine

25℃时入口甲醛浓度为15mg/m3,气体流量为100mL/min的条件下，不同浸渍液浓度条件下制备的吸附材料对甲醛的去除率如图5所示。

图5 浸渍液浓度对甲醛去除率的影响Fig.5 Influence of glycine concentration on the removal ratio of formaldehyde

从图5可以得，不同浸渍液浓度制成的吸附材料对甲醛的去除效果为5%<10%<15%≈20%，由甘氨酸浓度为5%的浸渍液制成的吸附材料对甲醛的去除率最低，持续时间最短，这是由于浸渍液浓度过低，载体上的甘氨酸的负载量也过低，未能将载体上所有空隙覆盖，造成对甲醛的去除率较低。而由甘氨酸浓度为10%的浸渍液制成的吸附材料由于负载量增加较多，因此对甲醛的去除效果也有明显地增加。当甘氨酸浓度为15%和20%的浸渍液制成的吸附材料对甲醛的去除率基本一致，说明当浸渍液中甘氨酸浓度高于15%时，载体的负载量基本饱和，浸渍液高于15%对甲醛的去除率的提高没有显著效果。因此，在配置甘氨酸浸渍液的时候，配置浓度15%制成的吸附材料就可以达到最佳的吸附效果。浸渍液浓度增加高对吸附效果的升高作用不大。

2.4 浸渍液pH值对去除率的影响

pH值对浸渍液中甘氨酸的离子形态分布有重要影响。甘氨酸中的氨基(NH2)是碱性的，而羧基(COOH)则是酸性，这种两性基团的存在使得甘氨酸既能和碱发生反应，又能和酸发生反应，在强酸性溶液中以正离子形式存在，在强碱性溶液中以负离子形式存在。在溶液中的形态如公式所示。

将空白载体浸渍于不同pH值的10%甘氨酸溶液中，25℃恒温振荡0.5h后取出，再在干燥箱中干燥至恒重后取出，制得吸附材料。在25℃，以100mL/min通入初始甲醛浓度为15mg/m3的气体，吸附净化材料对甲醛气体的净化率如图6所示。

图6 浸渍液pH值对甲醛去除率的影响Fig.6 Influence of pH on the removal ratio of formaldehyde

2.5 甲醛浓度对去除效率的影响

将空白载体浸渍于10%的甘氨酸溶液中，25℃恒温振荡0.5h后取出，再在干燥箱中干燥至恒重后取出，制得吸附材料。在25℃，以100mL/min通入初始甲醛浓度为15、50、100mg/m3的气体，吸附净化材料对甲醛气体的净化率如图7所示。吸附净化材料对甲醛气体的吸附量如图7所示。

图7 气体浓度对甲醛去除率的影响Fig.7 Influence of gas concentration on the removal ratio of formaldehyde

由图7可见，随着气体浓度的增加，去除率明显下降。主要原因是气体浓度增大，甲醛在气相中的分压增大，单位时间与吸附材料上接触的甲醛分子增多，不利于吸附材料中甘氨酸与甲醛分子充分接触，因此，当甲醛浓度增大时，处理率迅速下降，吸附净化时间迅速缩短。由此可见，甘氨酸制备的吸附材料适合低浓度的甲醛气体。

2.6 甲醛气体流量对去除率的影响

将空白载体浸渍于10%的甘氨酸溶液中，25℃恒温振荡0.5h后取出，再在干燥箱中干燥至恒重后取出，制得吸附材料。在25℃，以100mL/min、200mL/min、300mL/min通入初始甲醛浓度为15mg/ m3的气体，吸附净化材料对甲醛气体的净化率如图8所示。

图8 气体流量对甲醛去除率的影响Fig.8 Influence of gas stream flow on the removal ratio of formaldehyde

由图8可见，随着进气流量的增大，去除效率呈下降趋势，当气体流量由100mL/min增加到300 mL/min，初始去除率由80.5%降到54.3%，穿透时间也由100min降到50min，吸附材料甲醛的去除量也随着气体流速的增大而减少。这是由于进气流量的增大，使得气体中甲醛分子和吸附材料中氨基酸分子的接触的时间缩短，很多甲醛分子还没有与氨基酸分子发生反应就已通过吸附材料，造成净化吸附时间和甲醛吸附量两者均显著降低。此可见，甲醛与吸附材料的接触时间对反应速率有显著影响。因此，在吸附时的气体流速时，应该将气体流速控制在较低的速度。

3 结 论

(1)载体制备时，浸渍时间长短与氨基酸的负载量没有明显关系，当空白载体浸渍到0.5h后，氨基酸负载量趋于稳定。在不同浸渍时间下制备的吸附材料对同等浓度的甲醛气体的处理效果没有显著差别。因此，浸渍时间为0.5h，甘氨酸的负载量就可以达到饱和。

(2)由于甲醛与氨基酸反应是一个放热反应，温度的增加，不利于吸附材料对甲醛气体的吸附净化。在吸附过程中，温度为25℃最适合。

(3)载体制备时，浸渍液浓度越高，负载在空白载体的量越大，对甲醛的去除效果越好。但当浸渍液中氨基酸浓度高于15%时，载体中氨基酸的负载量增加微弱，因此，对甲醛的去除效果增加不明显。

(4)进口气体中甲醛浓度的增高和进口流量的增大，都会导致去除率降低，但吸附材料对甲醛的吸附量随着进口气体中甲醛浓度的增大而增大，随着进口甲醛流量的增大而减小。

(5)pH值对甲醛去除率有明显的影响。在碱性条件下制备的吸附材料的净化效果要优于在酸性条件下的净化效果。pH=10制备的吸附材料效果最好。

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Study on Preparation of Amino Acid Formaldehyde Adsorption Material and it’s Purification Effect

ZHENG Xi

(Ecology&EnvironmentalEngineeringCollegeofYunnanForestryVocationalandTechnicalInsititude,Kunming650000,China)

This research prepared amino acid formaldehyde adsorption purification material by impregnation method, and investigated the formaldehyde concentration, gas velocity, temperature, concentration of different glycine impregnation solution and pH on purification effect of polluted air. It was found that the impregnation time of glycine solution had little effect on the removal rate of formaldehyde, and purification efficiency can reach over 80%, increase of purification temperature is not conducive to the removal of formaldehyde; formaldehyde removal rate increases with the increase of glycine pH. The result is of certain application value.

Formaldehyde; amino acid; glycine; adsorption; purification

2016-08-10

云南林业职业技术学院院级科研项目：甲醛吸附材料制备及净化效果研究(KY201501)。

郑 希(1985-)，女，四川人，2010年毕业于昆明理工大学环境工程专业，硕士，研究方向为环境污染控制。

X701

A

1001-3644(2017)01-0001-05