活性炭等吸附性材料對(duì)甲醛吸附能力的測(cè)試方法探討

1、活性炭等吸附性材料對(duì)甲醛吸附能力的測(cè)試方法探討柳敏 劉朝軍（浙江朝暉過(guò)濾技術(shù)股份有限公司 浙江 314511）摘要：采用自主搭建的1m3環(huán)境試驗(yàn)艙測(cè)試了活性炭等吸附材料對(duì)甲醛的吸附能力，并通過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)測(cè)試過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，初步建立了一種測(cè)試活性炭對(duì)甲醛氣體去除率和飽和吸附量的方法。與已有文獻(xiàn)相比，該方法操作方便，重現(xiàn)性好，可得到較為可靠的結(jié)果。關(guān)鍵詞：甲醛；活性炭；環(huán)境試驗(yàn)艙；去除率；飽和吸附量室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人體的健康。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，空氣凈化器應(yīng)運(yùn)而生。目前市面上大多數(shù)空氣凈化器主要采用顆粒活性炭、活性炭纖維氈、蜂窩狀活性炭過(guò)濾網(wǎng)、活性炭瓦楞紙過(guò)濾網(wǎng)等吸附性材

2、料的物理吸附來(lái)去除甲醛等室內(nèi)有害氣體污染物，材料的吸附性能直接決定著空氣凈化器對(duì)有害氣體污染物的去除能力1。但是，現(xiàn)階段我國(guó)缺乏針對(duì)室內(nèi)裝修污染凈化的活性炭等材料的凈化性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試這些材料對(duì)甲醛吸附能力的方法也相對(duì)較少，且測(cè)定方法也不完善2-4。本文參考已有文獻(xiàn)方法，以顆粒活性炭為吸附劑，甲醛為吸附質(zhì)，通過(guò)多次試驗(yàn)嘗試與驗(yàn)證，初步建立了一種活性炭等吸附性材料對(duì)甲醛氣體吸附能力的測(cè)試方法，該方法操作方便，重現(xiàn)性好，可得到較為可靠的結(jié)果。1 實(shí)驗(yàn)條件1.1 環(huán)境試驗(yàn)艙自制玻璃環(huán)境試驗(yàn)艙：有機(jī)玻璃材質(zhì)；容積，1m3（1m×1m×1m）；艙門在試驗(yàn)艙正面，大小0.36m

3、15;0.66m，艙門上設(shè)置一雙操作手套；試驗(yàn)艙相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面各設(shè)置一個(gè)采樣孔；試驗(yàn)艙體內(nèi)表面光滑，所有連接處均經(jīng)過(guò)密封處理，試驗(yàn)艙的漏氣率小于0.05m3/h，符合QB/T 2761-20065附錄A中空氣試驗(yàn)艙的要求；附加設(shè)備：循環(huán)風(fēng)扇；加熱套，用作甲醛氣體發(fā)生器；凈化風(fēng)機(jī)；活性炭盛放過(guò)濾網(wǎng)（290 mm×290mm）。1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑實(shí)驗(yàn)儀器：QCS-3000型雙氣路大氣采樣器（上海精密儀器儀表有限公司）；721型可見光分光光度計(jì)（上海精密儀器儀表有限公司）；大型氣泡吸收管（10mL）；多孔玻板采樣管（50mL）；溫濕度表；微量進(jìn)樣器。試劑及樣品：甲醛溶液，AR，37.0

4、40.0%；酚試劑，AR；硫酸鐵銨，AR；乙酸，AR；乙酸銨，AR；乙酰丙酮，AR；煤質(zhì)顆?；钚蕴浚馕街?00mg/g。作者簡(jiǎn)介：柳敏（1985-），男，碩士，浙江朝暉過(guò)濾技術(shù)股份有限公司，研發(fā)工程師，主要從事化學(xué)過(guò)濾器研發(fā)。E-mail: 3803581832 實(shí)驗(yàn)方法2.1 實(shí)驗(yàn)步驟稱取一定量的顆粒活性炭，于105下干燥1h，干燥冷卻后取50g平鋪在過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)，并用自封袋密封。注一定量的甲醛溶液于加熱套中的蒸發(fā)皿上，立即將艙門密封。打開循環(huán)風(fēng)扇與加熱套的加熱開關(guān)，待甲醛溶液蒸發(fā)完后關(guān)閉加熱套，平衡一定時(shí)間后，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)扇，采集艙內(nèi)氣體并測(cè)試其濃度，此濃度為初始濃度。打開自封袋，取出活性炭

5、過(guò)濾網(wǎng)，并將其放在凈化風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，同時(shí)開啟循環(huán)風(fēng)扇和凈化風(fēng)機(jī)，分別在1.0h，2.0h，3.0h，4.0h后采集艙內(nèi)氣體并測(cè)試其濃度。2.2 甲醛測(cè)試方法低濃度甲醛氣體（1.0mg/m3以下）：依據(jù)GB/T18204.26-2000公共場(chǎng)所中甲醛的測(cè)定方法6檢測(cè)；高濃度甲醛氣體（1.0mg/m3以上）依據(jù)GB/T 15516-1995空氣質(zhì)量甲醛的測(cè)定乙酰丙酮分光光度法7檢測(cè)。2.3 甲醛吸附能力評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)活性炭吸附能力的重要指標(biāo)包括活性炭對(duì)甲醛的去除率和飽和吸附量。用活性炭吸附一段時(shí)間后，艙內(nèi)甲醛被去除的相對(duì)量來(lái)表示活性炭對(duì)甲醛的去除率： （式1）式中：艙內(nèi)甲醛的初始濃度，mg/m3； t

6、時(shí)間后艙內(nèi)甲醛的濃度，mg/m3；由于甲醛自身的分解、附著、艙內(nèi)壁吸附及泄露等因素會(huì)引起甲醛的自然衰減，在計(jì)算甲醛去除率時(shí)必須考慮自然衰減，扣除自然衰減率Rt，計(jì)算式為： （式2）式中：未加活性炭時(shí)，艙內(nèi)甲醛的初始濃度，mg/m3； 未加活性炭時(shí)，t時(shí)間后艙內(nèi)甲醛的濃度，mg/m3；活性炭對(duì)甲醛的飽和吸附量Q用單位質(zhì)量的活性炭吸附達(dá)到飽和時(shí)所吸附甲醛的質(zhì)量來(lái)表示。可設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，重復(fù)多次吸附平衡實(shí)驗(yàn)，直至活性炭吸附飽和，即艙內(nèi)甲醛去除率接近自然衰減率，并根據(jù)下式計(jì)算： （式3）式中：第i次吸附過(guò)程中艙內(nèi)甲醛的初始濃度，mg/m3； 第i次吸附過(guò)程中艙內(nèi)甲醛的吸附平衡濃度，m

7、g/m3； R自然衰減率，%；V環(huán)境試驗(yàn)艙容積，m3；m活性炭的質(zhì)量，g；吸附平衡時(shí)間越短及去除率越大，說(shuō)明活性炭的吸附速率越快；活性炭的飽和吸附量越大，說(shuō)明吸附能力越強(qiáng)。 3 結(jié)果與討論3.1 甲醛初始濃度的確定在其他條件相同的情況下，活性炭等材料對(duì)甲醛氣體的去除率與甲醛氣體的初始濃度有關(guān)。高濃度時(shí)吸附時(shí)間短，去除率大；低濃度時(shí)，吸附時(shí)間長(zhǎng)，去除率?。灰虼?，在檢測(cè)中需要確定一個(gè)合理的甲醛初始濃度。現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確規(guī)定， GB/T 188832002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)8中的甲醛限定值為0.1mg/m3，GB/T 18801-2008空氣凈化器9中檢測(cè)空氣凈化器氣態(tài)污染物凈化效能時(shí)，將氣

8、體的初始濃度設(shè)為GB/T 188832002中規(guī)定的限定值的10倍，即對(duì)甲醛氣體設(shè)為1.0mg/m3。但是在低濃度條件下活性炭對(duì)甲醛氣體的吸附速率很慢，吸附平衡時(shí)間較長(zhǎng)，表1是低濃度條件下，不同時(shí)間活性炭對(duì)甲醛的去除率。從表1中可以看出，吸附24h后活性炭仍未達(dá)到吸附平衡。測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)，自然衰減率將增大，無(wú)法準(zhǔn)確確定吸附平衡點(diǎn)。為了縮短吸附平衡時(shí)間，增加實(shí)驗(yàn)的可操作性，將甲醛氣體的初始濃度設(shè)為10 mg/m3。表1 不同吸附時(shí)間下活性炭對(duì)甲醛的去除率吸附時(shí)間（h）甲醛濃度（mg/m3）去除率（%）00.98410.73325.520.58940.130.45753.660.38461.090.

9、33765.7240.28571.0480.17582.23. 2甲醛溶液加入量的確定甲醛的初始濃度與甲醛溶液加入量、平衡時(shí)間、環(huán)境溫濕度、試驗(yàn)艙體積等多種因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)以1m3環(huán)境艙為例，設(shè)定平衡時(shí)間為10min，在其它條件相同的情況下改變甲醛溶液加入量，得到不同的甲醛初始濃度，如表2所示；從表中可以看出，甲醛溶液加入量為50L時(shí)，艙內(nèi)甲醛氣體濃度在10 mg/m3左右。在甲醛溶液加入量為50L時(shí)，不同溫濕度下測(cè)得的甲醛初始濃度如表3所示；從表中可以看出，在室溫條件下，艙內(nèi)甲醛初始濃度的偏差不超過(guò)20%，可以忽略溫濕度對(duì)甲醛初始濃度的影響。因此，將甲醛溶液的加入量確定為50L。表2 不同甲醛

10、溶液加入量下甲醛的初始濃度甲醛溶液加入量（L）甲醛初始濃度（mg/m3）50.878101.753205.7675010.18110021.446表3 不同溫濕度下甲醛的初始濃度溫度（）濕度（%）甲醛初始濃度（mg/m3）10449.189123011.134183810.324204210.181243011.5323.3 甲醛氣體自然衰減率的確定在環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)由于自然發(fā)生的沉降、附集、表面沉積、分解和泄露等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)艙內(nèi)甲醛濃度降低，即自然衰減，在評(píng)價(jià)材料吸附性能時(shí)必須要扣除自然衰減率。因此，環(huán)境艙在投入使用前要進(jìn)行自然衰減情況考察，確定自然衰減率。具體的實(shí)驗(yàn)考察方法同材料的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

11、步驟，唯一不同的是不加入吸附材料。在室溫下，甲醛溶液加入量為50L，通過(guò)多次平行實(shí)驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)甲醛氣體的自然衰減情況進(jìn)行考察，4h內(nèi)的自然衰減率如表4所示。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)因?yàn)榧兹┏跏紳舛仁且粋€(gè)波動(dòng)值（10.0 mg/m3左右），導(dǎo)致在相同的實(shí)驗(yàn)條件下自然衰減率有差異，但是從表中看出，同一時(shí)間內(nèi)不同實(shí)驗(yàn)的R值相差不到1%，可近似認(rèn)為R是一個(gè)定值， 為了后續(xù)實(shí)驗(yàn)的方便計(jì)算，取甲醛初始濃度為10.181 mg/m3時(shí)的自然衰減率為環(huán)境艙中甲醛氣體的衰減率，即1h自然衰減率為4.81%，2h自然衰減率為7.26%，3h自然衰減率為9.96%，4h自然衰減率為12.21%。表4 甲醛自然衰減實(shí)驗(yàn)甲醛初始濃

12、度（mg/m3）R1R2R3R49.1894.567.249.1511.879.9054.897.209.1211.909.9434.917.689.5612.0710.1814.817.269.9612.2110.9775.017.5310.1112.333.4 平衡吸附時(shí)間和吸附次數(shù)的確定在達(dá)到平衡吸附之前，活性炭對(duì)甲醛氣體的去除率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；達(dá)到平衡吸附之后，去除率將保持不變；因此，在給出活性炭對(duì)甲醛氣體的去除率時(shí)必須給出吸附時(shí)間，嚴(yán)格地說(shuō)，是平衡吸附時(shí)間。去除率還與活性炭的使用量有關(guān)，單憑去除率這一參數(shù)還不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)活性炭的吸附能力，還需要活性炭的飽和吸附量。測(cè)試飽和吸附量時(shí)

13、，必須要保證活性炭已吸附飽和，即不再吸附甲醛氣體，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)確定吸附次數(shù)來(lái)保證這一點(diǎn)。3.4.1 平衡吸附時(shí)間本文通過(guò)多次平行吸附實(shí)驗(yàn)來(lái)探究活性炭對(duì)甲醛的吸附特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在每次吸附過(guò)程中甲醛濃度隨時(shí)間的延長(zhǎng)的總體趨勢(shì)都是降低的，選取其中5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表5。從表5可以看出， 吸附1h后，活性炭對(duì)甲醛的去除率已達(dá)到80%以上，即1h內(nèi)甲醛吸附速率很大； 1h3h內(nèi)甲醛的去除率增加10%左右，表明甲醛吸附速率變慢；5個(gè)實(shí)驗(yàn)中，3h4h內(nèi)甲醛的去除率增加量很小，與該時(shí)間段內(nèi)的自然衰減率相當(dāng)，即該時(shí)間段內(nèi)甲醛沒有被吸附，可認(rèn)為3h時(shí)甲醛已達(dá)到吸附平衡。結(jié)論：吸附3h后，活性炭吸附已經(jīng)達(dá)到平衡

14、，可設(shè)計(jì)每次吸附過(guò)程活性炭的吸附平衡時(shí)間為3h。表5 不同吸附時(shí)間時(shí)活性炭對(duì)甲醛的去除率甲醛初始濃度（mg/m3）0h1h2h3h4h9.280080.4987.6089.4390.019.865080.7889.2490.2890.499.748082.6288.3590.0789.9410.081082.5090.7192.3492.4710.497083.8490.6492.7893.103.4.2 吸附次數(shù)對(duì)同一份活性炭進(jìn)行重復(fù)吸附實(shí)驗(yàn)，每次吸附時(shí)間為3h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6。第一次吸附時(shí)甲醛的去除率高達(dá)92.01%，六次吸附后甲醛的去除率為25.17%，第七次吸附平衡后甲醛的去除率只有1

15、1.86%，與艙內(nèi)甲醛3h自然衰減率相當(dāng)，即實(shí)際上第七次實(shí)驗(yàn)時(shí)活性炭對(duì)甲醛已經(jīng)沒有吸附能力，六次吸附后活性炭已經(jīng)達(dá)到吸附飽和，根據(jù)式3計(jì)算該活性炭的飽和吸附量為632g/g。4 結(jié)論本文采用自搭建的1m3環(huán)境試驗(yàn)艙考察了活性炭對(duì)甲醛的吸附性能，初步建立了一種活性炭等吸附性材料對(duì)甲醛氣體吸附能力的測(cè)試方法。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件：艙內(nèi)甲醛氣體的初始濃度為10mg/m3，對(duì)應(yīng)的甲醛溶液加入量為50L，活性炭吸附平衡時(shí)間為3h，重復(fù)吸附6次活性炭達(dá)到飽和。按照該方法測(cè)得實(shí)驗(yàn)所用的顆粒活性炭的飽和吸附量為632g/g，3h對(duì)甲醛氣體的去除率達(dá)90%以上。該方法操作方便，重現(xiàn)性好，可得到較為可

16、靠的結(jié)果。表6 不同吸附次數(shù)時(shí)活性炭對(duì)甲醛的去除率吸附時(shí)間（h）甲醛濃度（mg/m3）去除率（%）第一次吸附010.125030.80992.01第二次吸附010.165031.97980.53第三次吸附09.879032.28576.87第四次吸附010.345034.73054.28第五次吸附010.856036.48240.29第六次吸附010.625037.95125.17第七次吸附010.987039.68411.86參考文獻(xiàn)1 元玉棟. 空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)空氣品質(zhì)J. 環(huán)境與健康雜志, 2006, 23(4): 380-382.2 何中凱, 張寅平. 一種測(cè)量吸附劑甲醛吸附性能的新方法J. 中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文, 083484.3 胡劉平, 莫開林, 楊凌等. 活性炭對(duì)甲醛吸