含濕量對黑粘土顆粒表面甲醛吸附特性的影響

1、<p>　　含濕量對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>　　西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院</p><p>　　摘 要：現(xiàn)代裝修及區(qū)域環(huán)境的破壞，使得甲醛等有機物經常與區(qū)域顆粒（粘土）在室內空氣中同時存在。吸附了有害氣體的顆粒物對室內人員的危害更大。本文搭建了顆粒物吸附實驗臺，實驗

2、研究了空氣含濕量對中國東北某區(qū)域黑土顆粒表面甲醛吸附特性的影響。研究結果表明，甲醛在粘土顆粒表面的吸附與其接觸時間有關，隨著接觸時間的延長，顆粒對甲醛的吸附量增大，但是，一定時間（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單位質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，當含濕量

3、為0.085 kg/m3時，最大吸附值為2.67 mg/g。</p><p>　　關鍵詞：粘土顆粒 流動 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>　　作者簡介：董博（1987~），男，碩士研究生；西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院建筑環(huán)境與設備工程系（710049）；E-mail: dong

8、bo06360201@sina.com</p><p>　　基金項目：西安交通大學本科生科研訓練和實踐創(chuàng)新基金</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　人類社會在進入信息時代以后，生活的轉型使得人們停留在室內的時間越來越長。據(jù)統(tǒng)計，人的一生約有80%以上的時間在室內度過，室內空氣質量如何等相當引人關注。由于新建筑材料

9、的應用以及自然環(huán)境的破壞，甲醛等有機物經常與區(qū)域顆粒物在室內經常共存。</p><p>　　甲醛對人體健康的傷害極大，國際癌癥研究所將其列為致癌物質[1]。室內裝修使用的裝潢材料，如各種人造板材、油漆、膠粘劑以及新購買的家具等，常釋放甲醛[2]。另外，城市建設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今室內常見的空氣污染物。粘土顆粒作為一種具有自相似性結構的多孔介質[3][4]，如果吸附了甲醛，將加劇其對

10、室內人員的傷害。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。目前對于粘土吸附特性的研究主要集中在利用粘土礦物來吸附凈化廢水中的重金屬離子，例如，文獻[5]研究了高嶺土吸附水體中重金屬Cu2+、Zn2+，文獻[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，從關注室內空氣質量角度，研究粘土顆粒物對有害氣體的吸附方面的報道尚未找到。故而本文主要以中國東北吉林省靖宇縣（東經126°30′～127°16′，北緯42°06′～42°48）的黑土為研究對象，實驗研究了甲醛在黑土表面的吸附特性以及環(huán)境空氣的含濕量對甲醛吸附量的影響。</p><p><b>　　1 實驗部分</b></p>

12、<p><b>　　1.1 實驗系統(tǒng)</b></p><p>　　本文所搭建的實驗系統(tǒng)如圖1所示。反應器為一玻璃材料的封閉腔體，體積為4.69L。為了保證實驗條件，實驗時將反應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 計算機；4 封閉腔體；5 風扇；6 鐵絲網(wǎng)+紗布；7 恒溫恒濕箱；</p><p>　　8 進氣口；9 采氣口</p><p><b>　　圖1 實驗系統(tǒng)圖</b></p><p>　　實驗前，將待測顆粒物放入位于反應器內的篩網(wǎng)上（鐵絲網(wǎng)+紗布），由進氣口通入氮氣沖洗反應器2分鐘后注入液態(tài)甲醛（吸附質），保證進氣注入的甲醛不與顆粒物接觸

14、。實驗開始，在線監(jiān)測反應器內氣相中甲醛濃度隨時間的變化。</p><p>　　反應器內甲醛的含量由英國生產的Gasmet dx4000傅立葉變換紅外光譜氣體分析儀測量，其測量精度±2%，儀器加熱溫度：180 ℃。被測氣體由采氣口抽出，進入分析儀。分析后的氣體，再由進氣口返回反應器中。數(shù)據(jù)由計算機采集、處理并保存。</p><p>　　為了保證氣體與顆粒之間有相對運動，反應器內氣體

15、的流動由置于其中的風扇（額定電壓15V）控制，該風扇位反應器的頂部，風速為4133 rad/min[7]。</p><p><b>　　1.2 實驗方法</b></p><p>　　實驗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126°30′～127°16′，北緯42°06′～42°48）距地表30 cm處。實驗前

16、，將粘土樣品于一干燥箱內干燥12 h。干燥箱內的溫度為80℃。對干燥后的樣品進行研磨，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（測定范圍：1~2600μm，誤差< 3%）測定，粒度分布結果如圖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。每次實驗時，取用樣品的量為5g，實驗在

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

18、gt;<p>　　反應器內氣相濕度由注入蒸餾水的量來調節(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，與之對應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 實驗結果與討論</p><p>　　2.1 反應器內甲醛的揮發(fā)</p>

19、<p>　　圖3給出的是當反應器內加入0.1 ml甲醛、風扇啟動，50℃條件下，甲醛在反應器內的揮發(fā)過程。反應器內無顆粒物。</p><p>　　圖3 甲醛在反應器內的揮發(fā)</p><p>　　從圖中可以看出，液態(tài)的甲醛在反應器中要經過一段時間后，才能完全揮發(fā)到氣相。在實驗條件下，氣相穩(wěn)定的時間是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。該結果也說

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

21、/p><p>　　通過對比可以看出，隨著樣品和甲醛接觸時間的延長，氣相中的甲醛濃度逐漸下降，說明，該顆粒物能吸附甲醛，且顆粒對甲醛氣體的吸附是一個漸進過程。粘土吸附甲醛是可以理解的，因為粘土顆粒是多孔介質，而多孔介質均對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間的變化。從吸附量曲線可以看出，在前8 h內，吸附量隨時間一直增加，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，達到最大，最大值為0.27 mg/(h·g)，隨后逐漸減小，8 h后，接近于零。本實驗條件，吸附達到飽和時，顆粒的吸附量為1.18mg/g。</p><p>　　圖5 粘土顆粒對甲醛的吸附量及吸附速率隨時間的變化</p><p&g

23、t;　　2.3 濕度（含濕量）對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器內氣相中甲醛濃度隨時間的變化曲線?？梢钥闯?，與干氣相比，含濕量使系統(tǒng)內氣相中的甲醛濃度進一步降低?？梢詳嘌?，消耗的部分是被系統(tǒng)內的粘土顆粒物吸收了，說明含濕量能夠促進顆粒物對甲醛的吸附，且這種促進隨含濕量的增加而增強。</p><p>　　圖6 含濕量對氣相中甲醛濃度的影響<

24、;/p><p>　　圖7給出的是當吸附達到飽和時（實驗進行到8h）在不同含濕量下被系統(tǒng)內顆粒物吸附的甲醛量?？梢钥吹?，含濕量對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，顆粒物對甲醛的吸附容量也增大。當含濕量取0.085 kg/m3時，本實驗所用顆粒物對甲醛的吸附容量可達2.67 mg/g。</p><p>　　圖7 含濕量對顆粒吸附容量的影響</p><p

25、><b>　　3 結論與建議</b></p><p>　　1）黑粘土能夠吸附氣相中的甲醛。接觸的時間越長，甲醛被顆粒物吸附的量就越大。干燥條件下吸附達到飽和時的吸附量為1.18 mg/g，最大吸附速率為0.27 mg/(g·s)。所以在室內一定要保證甲醛含量在標準范圍內（可通過加強通風，活性炭吸附或少用甲醛超標的裝飾材料）。否則甲醛吸附到顆粒物上對室內人員的損害更大，因為微

26、細顆粒物更容易進入人的下呼吸道。</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，吸附飽和時最高值可達2.67mg/g。舒適的室內溫濕度條件（25℃，60%，空氣的含濕量為0.0156 kg/m3）下，說明可以導致甲醛被顆粒捕集，對室內人員的威脅更大。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

27、p>　　吳自強. 室內甲醛污染控制技術進展[J]. 中國建材科技, 2002,11(1): 54-57</p><p>　　徐國鋒. 裝修所致室內空氣污染狀況調查[J]. 環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學, 2008, 25(1): 76-78</p><p>　　胡小芳. 多孔介質粘土顆粒群的粒徑分布分形維[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2006, 34(5): 99-102</p

28、><p>　　黃冠華. 土壤顆粒的分形特征及其應用[J]. 土壤學報, 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]. 濟南: 山東大學, 2010</p><p>　　劉剛偉. 蒙脫石復合顆粒吸附劑的制備及處理含重金屬廢水的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2009<