溫度和吸附時間對竹炭去除有害物質的影響

李倩王曉旭/.上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院；2.國家建筑材料及裝飾裝修材料質量監(jiān)督檢驗中心

溫度和吸附時間對竹炭去除有害物質的影響

李倩1,2王曉旭1/1.上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院；2.國家建筑材料及裝飾裝修材料質量監(jiān)督檢驗中心

分析了不同溫度、吸附時間對竹炭除去有害物質的影響。研究表明：竹炭對分子量大、沸點高、極性弱的TVOC試驗液的吸附性能更高。溫度對竹炭的吸附性能影響明顯。在實際使用過程中，竹炭除去有害物質的最佳持續(xù)吸附時間為4～5 d。

竹炭；有害物質；吸附；最佳持續(xù)吸附時間

0 引言

室內空氣污染物有來源廣、種類多的特點。常見的主要污染物有甲醛、氡、揮發(fā)性有機物等。甲醛是一種無色、有強烈刺激性氣味的氣體，有較高毒性，被國際防癌研究所列為致癌物之一[1]。苯在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，并具有強烈的芳香氣味。苯系污染物和TVOC已經被世界衛(wèi)生組織確定為強烈致癌物質[2]。

室內污染防治措施主要有吸附凈化、紫外線消毒、化學消毒、光催化氧化、空氣負離子技術、生物凈化、植物凈化等[3]。物理吸附也稱為范德華吸附，它是吸附質和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。吸附質是指被吸附劑吸附的對象，即吸附過程中的吸附目標物。吸附劑是指能有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質。

作為物理吸附分離操作的常用吸附劑，活性炭具有如下特點：選擇性強、比表面積較大、孔徑范圍廣、表面富含多種官能團、性能穩(wěn)定以及可以再生等。因此，活性炭市場應用越來越廣，在“大吸附量、多功能、高強度”的總要求下，出現(xiàn)了對專用活性炭需求量越來越多的趨勢[4～6]。

本文中的吸附質為甲醛、苯、TVOC試驗液，吸附劑為竹炭，吸附過程具體分為四個過程，見圖1。

實際使用過程中，竹炭不免會產生飽和吸附和反釋放，而每種竹炭的表面結構不同，吸附作用也相差甚遠，所以很多用戶對于放置竹炭的數(shù)量和時間不清楚，很容易產生竹炭量不夠、達不到較好的吸附效果，以及放置時間過久，使得竹炭吸附飽和并重新釋放入室內，這樣大大降低了竹炭的吸附作用。

本項研究著重于分析不同溫度、吸附時間對竹炭除去有害物質的影響，并提出竹炭在不同溫度下去除室內有害氣體的推薦放置時間，更有效更合理地改善室內空氣環(huán)境，以滿足“綠色家居”、“環(huán)保家居”的發(fā)展趨勢。

圖1 竹炭吸附過程分析

1 實驗部分

1.1 儀器設備、試劑和吸附劑

儀器設備：AB204-S型電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）；VWH-1000型恒溫恒濕箱（濟南海納特科技有限公司）；DHG-9036A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗儀器有限公司）。試劑：甲醛（分析純）；苯（分析純）；氨水（分析純）；甲苯（分析純）；二甲苯（分析純）；乙苯（分析純）；乙酸乙酯（分析純）；苯乙烯（分析純）；將氨水、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、乙酸乙酯、苯乙烯按等體積比混合制成的總揮發(fā)性有機物（TVOC）試驗液。選取兩種商業(yè)竹炭為吸附劑。

1.2 吸附實驗方法

根據(jù)GB/T 26900-2011[7]《空氣凈化用竹炭》的要求，稱取經粉碎至全部通過0.25 mm（60目）篩子的干燥竹炭試樣2 g（稱準至0.1 mg），放入預先恒重的稱量瓶中，竹炭試樣在稱量瓶的底面厚度均勻。將甲醛、苯、TVOC試驗液分別裝入三個吸附儀底部的指定位置，竹炭試樣置于吸附儀格柵上，吸附儀如圖2（圖中數(shù)字單位為mm）所示。

圖2 竹炭氣體吸附專用測定儀

將三個吸附儀分別于20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃下在氣候箱中恒溫吸附24 h、48 h、72 h、96 h、168 h，同時稱取相同質量的竹炭試樣做空白試驗。以竹炭的增重占原試樣質量的百分數(shù)表示竹炭對甲醛、苯、TVOC試驗液的吸附率。具體按照式（1）計算。

1.3 結果計算

活性炭吸附率以%表示，按式（1）計算：

式中：X—竹炭對甲醛的吸附率，%；

m1—吸附前竹炭試樣和稱量瓶的質量，g；

m2—吸附后竹炭試樣和稱量瓶的質量，g；

m3—空白試驗竹炭增加的質量，g；

m—竹炭試樣的質量，g

2 結果與討論

2.1 不同吸附質對竹炭吸附能力的影響

為了考察不同吸附質對竹炭吸附能力的影響，本項試驗中分別選取了25 ℃下在氣候箱中恒溫吸附甲醛、苯、TVOC試驗液24 h后得到的吸附率，結果如圖3所示。

根據(jù)圖1可知，竹炭對于甲醛、苯、TVOC試驗液的吸附量依次增加，并且增加顯著。這可能是由吸附質的分子量、沸點、極性等各種因素造成的。

圖3 25 ℃恒溫吸附24 h后竹炭試樣對甲醛、苯、TVOC試驗液的吸附率

1）分子量大的吸附質易于被吸附。這可能由于大分子量的吸附質在微孔中與竹炭吸附中心距離短，作用力大。甲醛、苯、TVOC的分子量依次為30、78、87。

2）沸點高的有機氣體易于被吸附。這可能是由于有機物的沸點越高，在竹炭孔隙間液化或凝結以及毛細凝聚的可能性越大。甲醛、苯、TVOC的沸點依次為-19.5 ℃、80.1 ℃、103.7 ℃。

3）弱極性吸附質易于被吸附。這可能是由于竹炭C-C是非極性物質，而非極性物質相互吸附性能更強。苯、TVOC可視為非極性物質，而甲醛為極性物質。

2.2 溫度對竹炭去除有害物質的影響

為了考察溫度對竹炭去除有害物質的影響，本項試驗中分別選取了在20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃下的氣候箱中恒溫吸附甲醛、苯、TVOC試驗液24 h后得到的吸附率，結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同溫度對竹炭試樣1吸附率的影響

由圖4和圖5得出，溫度對兩種商業(yè)用竹炭試樣吸附率的影響基本一致。竹炭在20 ～25 ℃時對甲醛、苯、TVOC試驗液吸附基本呈上升趨勢，說明隨著溫度的升高加速了吸附質從流體主體上的擴散，從而在單位時間內增加了外擴散和內擴散的量；在25～30 ℃時竹炭的吸附率呈下降趨勢，可能由于隨著溫度的進一步升高，雖然增加了吸附質擴散的量但也增大了竹炭上被吸附物質的反擴散活性，使得其外表面上的吸附質更多地反釋放出來，反而降低了竹炭的吸附率；隨著溫度繼續(xù)升高，竹炭的吸附率又逐步上升。產生這一現(xiàn)象的原因可能由于更高的溫度增加了更多的吸附質擴散，極大程度上增加了竹炭內表面吸附的量，從一定程度上減少了外表面反釋放的影響。

圖5 不同溫度對竹炭試樣2吸附率的影響

2.3 吸附時間對竹炭去除有害物質的影響

由于甲醛之類的吸附質在一般室溫20℃以上就可以揮發(fā)，但速率很慢。如果室溫在22 ℃左右，被檢測家庭的甲醛釋放量大多在臨界值狀態(tài)；如果室溫超過28 ℃，甲醛的釋放量會成倍增長。并且根據(jù)圖4和圖5中30 ℃為最低吸附量，本次吸附時間的影響研究選擇25 ℃和30 ℃恒溫下吸附甲醛、苯、TVOC試驗液24 h、48 h、72 h、96 h、168 h，結果如圖6～8所示。

圖6 吸附時間對竹炭吸附甲醛的影響規(guī)律

將圖6～8的試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到吸附率隨吸附時間的曲線方程。經計算得出拐點所對應的橫坐標即為竹炭除去單種有害物質的最佳持續(xù)吸附時間，具體見表1。本項試驗中，假設三種吸附質的擴散速率和環(huán)境因素均相同，并取三者的平均值作為竹炭在實際使用過程中除去有害物質的最佳持續(xù)吸附時間，即25 ℃時，最佳持續(xù)吸附時間為5 d（117.07 h）；30 ℃時，最佳持續(xù)吸附時間為4 d（102.60 h）。

圖7 吸附時間對竹炭吸附苯的影響規(guī)律

圖8 吸附時間對竹炭吸附TVOC試驗液的影響規(guī)律

表1 竹炭去除有害物質的最佳持續(xù)吸附時間

3 結語

本項研究分析了竹炭吸附有害物質的部分影響因素，發(fā)現(xiàn)竹炭對分子量大、沸點高、極性弱的TVOC試驗液吸附性能更高；在20～25 ℃時竹炭對甲醛、苯、TVOC試驗液吸附基本呈上升趨勢；在25～30 ℃時竹炭的吸附率呈下降趨勢；隨著溫度繼續(xù)升高至35 ℃時，竹炭的吸附率又逐步上升。這一現(xiàn)象說明，溫度對竹炭的吸附性能影響比較明顯。竹炭在實際使用過程中除去有害物質的最佳持續(xù)吸附時間為4～5 d。由于每種吸附質的擴散情況、理化性能均不相同，彼此間的影響也更為復雜，竹炭在實際使用過程中除去有害物質的最佳持續(xù)吸附時間可能也存在著變化。另外，本項試驗考慮的溫度點也不足。這些將在今后的試驗中再進一步探索研究，并希望本文對相關的標準制訂提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

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圖3 流出系數(shù)C的計算

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Abstract: This paper gives an example of an orifice-plate flowmeter to show the difference between the computational model and the simplified formula for the flow rate calculation. In the paper, three main influencing factors of the flow rate including aperture ratio, efflux and expansion coefficient are seperately analyzed, meanwhile the eliminating way is proposed.

Key words: orifice-plant flowmeter; flow integration meter; flow model; error analysis

Effect of temperature and adsorption time on removing harmful substances by bamboo charcoal

Li Qian1,2Wang Xiaoxu1
（1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，2.National Center of Supervision & Inspection on Building Materials and Decoration Materials Quality）

This study analyzes the effect of different temperatures and adsorption time on removing harmful substances by bamboo charcoal. Bamboo charcoal has better adsorption performance for TVOC test solution, which has large molecular weight, high boiling point and weak polarity. Temperiture has a significant impact on adsorption performance of bamboo charcoal. In practice, in order to remove harmful substances the optimal adsorption duration of bamboo charcoal is 4 to 5 days.

bamboo charcoal; harmful substances; adsorption; optimal adsorption duration

Error analysis between the simplified flow formula and the theoretical flow rate of an orifice-plate flowmeter

Zhong Yifeng, Xie Lili, Zhou Fang, Mu Zhijun
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）