含濕量對(duì)黑粘土顆粒表面甲醛吸附特性的影響

1、<p>　　含濕量對(duì)黑粘土顆粒表面甲醛吸附特性的影響</p><p>　　董博 蔡建程 馬惠穎 劉艷華</p><p>　　西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院</p><p>　　摘 要：現(xiàn)代裝修及區(qū)域環(huán)境的破壞，使得甲醛等有機(jī)物經(jīng)常與區(qū)域顆粒（粘土）在室內(nèi)空氣中同時(shí)存在。吸附了有害氣體的顆粒物對(duì)室內(nèi)人員的危害更大。本文搭建了顆粒物吸附實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)

2、研究了空氣含濕量對(duì)中國(guó)東北某區(qū)域黑土顆粒表面甲醛吸附特性的影響。研究結(jié)果表明，甲醛在粘土顆粒表面的吸附與其接觸時(shí)間有關(guān)，隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒對(duì)甲醛的吸附量增大，但是，一定時(shí)間（12h）后其吸附量值逐漸趨于穩(wěn)定。吸附飽和的特征及其明顯，干燥條件下吸附飽和時(shí)單位質(zhì)量顆粒物的吸附量為1.18 mg/g，最大吸附速率為0.27 mg/(h·g)。濕度（含濕量）能夠改變對(duì)顆粒物吸附甲醛的量，含濕量越大，顆粒吸附甲醛的量越多，當(dāng)含濕量

3、為0.085 kg/m3時(shí)，最大吸附值為2.67 mg/g。</p><p>　　關(guān)鍵詞：粘土顆粒 流動(dòng) 表面吸附</p><p>　　Effect of Air Moisture Content on the Formaldehyde Adsorption on Black Clay Particles in China</p><p>　　DONG Bo,

4、CAI Jian-cheng, MA Hui-ying, LIU Yan-hua</p><p>　　School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi'an Jiaotong University</p><p>　　Abstract: Building decoration and regional environment

5、 damage lead to the coexistence of formaldehyde or other organic with regional particles like clay particulate matters (CPM) in indoor air. Generally the particles with harmful gases are more harmful to human. In this st

6、udy the particles adsorbed system has been built up and the effect of air moisture content in air on formaldehyde adsorption on the black clay particles from the northeast of China has been studied. The experimentally re

7、sults </p><p>　　Keywords: clay particles, flow condition, surface adsorption</p><p>　　收稿日期：2012-4-22</p><p>　　作者簡(jiǎn)介：董博（1987~），男，碩士研究生；西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備工程系（710049）；E-mail: dong

8、bo06360201@sina.com</p><p>　　基金項(xiàng)目：西安交通大學(xué)本科生科研訓(xùn)練和實(shí)踐創(chuàng)新基金</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　人類社會(huì)在進(jìn)入信息時(shí)代以后，生活的轉(zhuǎn)型使得人們停留在室內(nèi)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人的一生約有80%以上的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)空氣質(zhì)量如何等相當(dāng)引人關(guān)注。由于新建筑材料

9、的應(yīng)用以及自然環(huán)境的破壞，甲醛等有機(jī)物經(jīng)常與區(qū)域顆粒物在室內(nèi)經(jīng)常共存。</p><p>　　甲醛對(duì)人體健康的傷害極大，國(guó)際癌癥研究所將其列為致癌物質(zhì)[1]。室內(nèi)裝修使用的裝潢材料，如各種人造板材、油漆、膠粘劑以及新購(gòu)買的家具等，常釋放甲醛[2]。另外，城市建設(shè)與城市周邊地表植被的破壞，地區(qū)性粘土顆粒物也成為當(dāng)今室內(nèi)常見的空氣污染物。粘土顆粒作為一種具有自相似性結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)[3][4]，如果吸附了甲醛，將加劇其對(duì)

10、室內(nèi)人員的傷害。粘土礦物種類繁多，粘土巖石中分布最廣的是伊利石、高嶺石、水云母、蒙脫石、綠泥石、凹凸棒石等。目前對(duì)于粘土吸附特性的研究主要集中在利用粘土礦物來(lái)吸附凈化廢水中的重金屬離子，例如，文獻(xiàn)[5]研究了高嶺土吸附水體中重金屬Cu2+、Zn2+，文獻(xiàn)[6] 開展了以蒙脫石為主要原料、粉煤灰為輔料、工業(yè)淀粉為添加劑、經(jīng)人工造粒制成的顆粒吸附劑吸附處理含重金屬離子廢水的研究，取得了較好的凈化效果。</p><p>

11、;　　但是，從關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量角度，研究粘土顆粒物對(duì)有害氣體的吸附方面的報(bào)道尚未找到。故而本文主要以中國(guó)東北吉林省靖宇縣（東經(jīng)126°30′～127°16′，北緯42°06′～42°48）的黑土為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了甲醛在黑土表面的吸附特性以及環(huán)境空氣的含濕量對(duì)甲醛吸附量的影響。</p><p><b>　　1 實(shí)驗(yàn)部分</b></p>

12、<p><b>　　1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</b></p><p>　　本文所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。反應(yīng)器為一玻璃材料的封閉腔體，體積為4.69L。為了保證實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)時(shí)將反應(yīng)器置于一恒溫恒濕箱（HWS-150B型，天津泰斯特儀器有限公司，功率0.5 kW，控溫范圍：0~65℃，控濕范圍：45%~90%）中。</p><p>　　1 電源；2 氣體分析儀

13、；3 計(jì)算機(jī)；4 封閉腔體；5 風(fēng)扇；6 鐵絲網(wǎng)+紗布；7 恒溫恒濕箱；</p><p>　　8 進(jìn)氣口；9 采氣口</p><p><b>　　圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)前，將待測(cè)顆粒物放入位于反應(yīng)器內(nèi)的篩網(wǎng)上（鐵絲網(wǎng)+紗布），由進(jìn)氣口通入氮?dú)鉀_洗反應(yīng)器2分鐘后注入液態(tài)甲醛（吸附質(zhì)），保證進(jìn)氣注入的甲醛不與顆粒物接觸

14、。實(shí)驗(yàn)開始，在線監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)氣相中甲醛濃度隨時(shí)間的變化。</p><p>　　反應(yīng)器內(nèi)甲醛的含量由英國(guó)生產(chǎn)的Gasmet dx4000傅立葉變換紅外光譜氣體分析儀測(cè)量，其測(cè)量精度±2%，儀器加熱溫度：180 ℃。被測(cè)氣體由采氣口抽出，進(jìn)入分析儀。分析后的氣體，再由進(jìn)氣口返回反應(yīng)器中。數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集、處理并保存。</p><p>　　為了保證氣體與顆粒之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)器內(nèi)氣體

15、的流動(dòng)由置于其中的風(fēng)扇（額定電壓15V）控制，該風(fēng)扇位反應(yīng)器的頂部，風(fēng)速為4133 rad/min[7]。</p><p><b>　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)所用的粘土顆粒為黑土顆粒，采集于吉林省靖宇縣郊區(qū)（東經(jīng)126°30′～127°16′，北緯42°06′～42°48）距地表30 cm處。實(shí)驗(yàn)前

16、，將粘土樣品于一干燥箱內(nèi)干燥12 h。干燥箱內(nèi)的溫度為80℃。對(duì)干燥后的樣品進(jìn)行研磨，研磨后的樣品于干燥箱中保存待用[8]。待用樣品的粒度及比表面積由BT-2002激光粒度分析儀（測(cè)定范圍：1~2600μm，誤差< 3%）測(cè)定，粒度分布結(jié)果如圖2所示，比表面積為0.365 m2/g，曲線1為粒徑分布，曲線2為累計(jì)分布，表中列出在某種粒徑下顆粒物所占的百分比。如中位徑（D50）為17.12μm。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，取用樣品的量為5g，實(shí)驗(yàn)在

17、50℃條件下進(jìn)行。</p><p>　　圖2 實(shí)驗(yàn)粘土樣品粒徑分布</p><p>　　每次實(shí)驗(yàn)前，用水清洗反應(yīng)器2遍，包括軟管和風(fēng)扇等附件。再用蒸餾水浸泡半小時(shí)后，瀝干水分，放入設(shè)定溫度為80℃干燥箱中，干燥30 min。取出反應(yīng)器，在室溫下冷卻10 min后，通入純度為99.99%的N2，沖洗時(shí)間為2 min，充氣壓力為0.12 MPa。重復(fù)該操作3次后開始下一次實(shí)驗(yàn)。</p&

18、gt;<p>　　反應(yīng)器內(nèi)氣相濕度由注入蒸餾水的量來(lái)調(diào)節(jié)。本研究注入的水量分別為0.1 ml、0.2 ml、0.3 ml和0.4 ml，與之對(duì)應(yīng)的氣體含濕量分別為0.021 kg/m3 、0.042 kg/m3、0.064 kg/m3 和0.085 kg/m3。</p><p>　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論</p><p>　　2.1 反應(yīng)器內(nèi)甲醛的揮發(fā)</p>

19、<p>　　圖3給出的是當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)加入0.1 ml甲醛、風(fēng)扇啟動(dòng)，50℃條件下，甲醛在反應(yīng)器內(nèi)的揮發(fā)過(guò)程。反應(yīng)器內(nèi)無(wú)顆粒物。</p><p>　　圖3 甲醛在反應(yīng)器內(nèi)的揮發(fā)</p><p>　　從圖中可以看出，液態(tài)的甲醛在反應(yīng)器中要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才能完全揮發(fā)到氣相。在實(shí)驗(yàn)條件下，氣相穩(wěn)定的時(shí)間是50 min，穩(wěn)定濃度是67.8 ppm，以后系統(tǒng)中的甲醛濃度不再變化。該結(jié)果也說(shuō)

20、明本實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性很好。</p><p>　　2.2 接觸時(shí)間對(duì)顆粒吸附的影響</p><p>　　圖4給出的是50℃，干燥條件下，反應(yīng)器內(nèi)粘土顆粒的加入量為5g時(shí)，隨后由進(jìn)樣器加入0.1 ml甲醛后，系統(tǒng)中氣相甲醛的含量隨時(shí)間的變化曲線。為了方便比較，圖4中也給出了未加顆粒物時(shí)的甲醛曲線。 </p><p>　　圖4 系統(tǒng)氣相中甲醛的含量隨時(shí)間的變化<

21、/p><p>　　通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著樣品和甲醛接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，氣相中的甲醛濃度逐漸下降，說(shuō)明，該顆粒物能吸附甲醛，且顆粒對(duì)甲醛氣體的吸附是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。粘土吸附甲醛是可以理解的，因?yàn)檎惩令w粒是多孔介質(zhì)，而多孔介質(zhì)均對(duì)氣體均有一定的吸附能力。</p><p>　　圖5給出的是該條件下顆粒物表面甲醛的吸附量及吸附速率隨時(shí)間的變化。從吸附量曲線可以看出，在前8 h內(nèi)，吸附量隨時(shí)間一直增加，在8

22、h后，雖然吸附量也增加，但是其吸附逐漸趨于穩(wěn)定，在12 h后吸附達(dá)到飽和（吸附量幾乎趨于一定值）。從吸附速率曲線看出，前5 h，速率逐漸增大，在5 h時(shí)，達(dá)到最大，最大值為0.27 mg/(h·g)，隨后逐漸減小，8 h后，接近于零。本實(shí)驗(yàn)條件，吸附達(dá)到飽和時(shí)，顆粒的吸附量為1.18mg/g。</p><p>　　圖5 粘土顆粒對(duì)甲醛的吸附量及吸附速率隨時(shí)間的變化</p><p&g

23、t;　　2.3 濕度（含濕量）對(duì)顆粒吸附甲醛的影響</p><p>　　圖6給出的是干氣及不同含濕量下反應(yīng)器內(nèi)氣相中甲醛濃度隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，與干氣相比，含濕量使系統(tǒng)內(nèi)氣相中的甲醛濃度進(jìn)一步降低。可以斷言，消耗的部分是被系統(tǒng)內(nèi)的粘土顆粒物吸收了，說(shuō)明含濕量能夠促進(jìn)顆粒物對(duì)甲醛的吸附，且這種促進(jìn)隨含濕量的增加而增強(qiáng)。</p><p>　　圖6 含濕量對(duì)氣相中甲醛濃度的影響<

24、;/p><p>　　圖7給出的是當(dāng)吸附達(dá)到飽和時(shí)（實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到8h）在不同含濕量下被系統(tǒng)內(nèi)顆粒物吸附的甲醛量?？梢钥吹?，含濕量對(duì)顆粒物的飽和吸附量（吸附容量）也有影響，隨著含濕量的增加，顆粒物對(duì)甲醛的吸附容量也增大。當(dāng)含濕量取0.085 kg/m3時(shí)，本實(shí)驗(yàn)所用顆粒物對(duì)甲醛的吸附容量可達(dá)2.67 mg/g。</p><p>　　圖7 含濕量對(duì)顆粒吸附容量的影響</p><p

25、><b>　　3 結(jié)論與建議</b></p><p>　　1）黑粘土能夠吸附氣相中的甲醛。接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，甲醛被顆粒物吸附的量就越大。干燥條件下吸附達(dá)到飽和時(shí)的吸附量為1.18 mg/g，最大吸附速率為0.27 mg/(g·s)。所以在室內(nèi)一定要保證甲醛含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（可通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)，活性炭吸附或少用甲醛超標(biāo)的裝飾材料）。否則甲醛吸附到顆粒物上對(duì)室內(nèi)人員的損害更大，因?yàn)槲?/p>

26、細(xì)顆粒物更容易進(jìn)入人的下呼吸道。</p><p>　　2）濕度能夠改變顆粒物吸附甲醛的量，濕度越大，顆粒吸附甲醛的量越多，吸附飽和時(shí)最高值可達(dá)2.67mg/g。舒適的室內(nèi)溫濕度條件（25℃，60%，空氣的含濕量為0.0156 kg/m3）下，說(shuō)明可以導(dǎo)致甲醛被顆粒捕集，對(duì)室內(nèi)人員的威脅更大。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><

27、p>　　吳自強(qiáng). 室內(nèi)甲醛污染控制技術(shù)進(jìn)展[J]. 中國(guó)建材科技, 2002,11(1): 54-57</p><p>　　徐國(guó)鋒. 裝修所致室內(nèi)空氣污染狀況調(diào)查[J]. 環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué), 2008, 25(1): 76-78</p><p>　　胡小芳. 多孔介質(zhì)粘土顆粒群的粒徑分布分形維[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 34(5): 99-102</p

28、><p>　　黃冠華. 土壤顆粒的分形特征及其應(yīng)用[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2002, 39(4): 492-497</p><p>　　李穎. 水體中重金屬、腐殖酸和粘土顆粒物之間的相互作用研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2010</p><p>　　劉剛偉. 蒙脫石復(fù)合顆粒吸附劑的制備及處理含重金屬?gòu)U水的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2009<