多離子水對(duì)空氣中苯系物的去除效果研究

黃　熠　姜瑞霞　蔡曼曼　唐小惠

（上海心動(dòng)能科技有限公司上海200070）

多離子水對(duì)空氣中苯系物的去除效果研究

黃熠姜瑞霞蔡曼曼唐小惠

（上海心動(dòng)能科技有限公司上海200070）

利用多離子水技術(shù)對(duì)室內(nèi)及車內(nèi)空氣中苯系污染物進(jìn)行去除效果研究，比較不同濃度多離子水對(duì)苯系物的去除效率，同時(shí)探討多離子水與苯的反應(yīng)機(jī)理，為多離子水技術(shù)在室內(nèi)、車內(nèi)空氣凈化及工業(yè)含苯廢氣處理中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

多離子水；苯系物；去除；空氣凈化

1　前言

新房裝修以及汽車生產(chǎn)中使用的油漆、涂料、膠黏劑以及各種有機(jī)溶劑等均含有大量的苯系物。苯系物含量超過一定濃度時(shí)，可對(duì)人體造成極大傷害。但由于苯系物不溶于水，苯環(huán)大π鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)不活潑，在新車及新房中難以去除。近年來，對(duì)于光催化氧化技術(shù)處理揮發(fā)性有機(jī)污染物進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)其在可見光下對(duì)苯表現(xiàn)出較高的光催化降解活性［1-6］。但由于室內(nèi)及車內(nèi)光催化所需要的光不足，致使光催化的效果很低，遠(yuǎn)不能滿足室內(nèi)及車內(nèi)空氣凈化去除苯系物的實(shí)際需求。

自20世紀(jì)90年代末，功能性離子產(chǎn)業(yè)便逐漸在日本興起，并成為繼光催化、納米技術(shù)等熱門技術(shù)之后，日本的又一新興經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)點(diǎn)，并廣泛用于健康、環(huán)境、能源、生物工程、建筑、紡織等各方面［7］。2002年，金宗哲教授［8-9］研發(fā)出有機(jī)-無機(jī)螯合技術(shù)，能夠使大量處于不溶于水狀態(tài)的礦物質(zhì)離子穩(wěn)定存在于水溶液體系中，并在此基礎(chǔ)上研制出具有較高能量和生物活性的多離子水。

本文以多離子水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以苯系污染物（苯、甲苯、二甲苯）為污染源，探索多離子水對(duì)苯系污染源的去除效果，分析其反應(yīng)機(jī)理，此研究將為功能性離子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新的思路，并且為空氣凈化行業(yè)提供高新技術(shù)支持。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)材料及儀器

標(biāo)準(zhǔn)氣體：苯（34.5mg/m3），甲苯（1.1mg/m3），二甲苯（1.5mg/m3）

集氣袋（FEP膜，PP雙閥門，5L）

采用GC-MS（TraceDSQ，美國(guó)熱電公司）對(duì)實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行定量分析；采用JENCO-6250氧化還原電位儀測(cè)定多離子水的ORP值。

2.2多離子水制備工藝

稱取一定量的硅灰石超細(xì)粉末（包含Si 6%、Mg0.3%、M n0. 2%、Fe0.4%、Ca8.5%）溶于去離子水中，并加入氧化鍺，在常溫下反應(yīng)3~5h，硅灰石和氧化鍺摩爾比為1000：1，經(jīng)過濾后得到溶液A；將摩爾比為1：1的四異丙氧基鈦和正硅酸甲酯混合后加入去離子水中，于45℃~50℃下攪拌1~1.5h，然后加入檸檬酸鈉和乙二胺四乙酸鉀溶液，其中正硅酸甲酯、檸檬酸鈉和乙二胺四乙酸鉀的摩爾比為1：5：10，得到溶液B；將溶液A和溶液B混合后，邊攪拌邊逐滴加入碳酸氫鈉和氫氧化鉀混合溶液，使最終產(chǎn)品中的鈉離子和鉀離子濃度達(dá)到預(yù)定值，制得多離子水。

經(jīng)測(cè)定，多離子水在常溫下的氧化還原電位為-120m V以下。

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1多離子水對(duì)苯、甲苯和二甲苯的去除效果

（1）多離子水與去離子水質(zhì)量比為1：5

打開流量計(jì)開關(guān)2s，通入苯系物（苯、甲苯或二甲苯）的標(biāo)準(zhǔn)氣體，排除氣管和流量計(jì)中的空氣干擾，然后，再以1.5L/min向5L的集氣袋中通入3min苯系物的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

然后用注射器分別將100mL質(zhì)量比為1：5的多離子水溶液注入4個(gè)5L的集氣袋中，得到4個(gè)裝有多離子水溶液和實(shí)驗(yàn)氣體的集氣袋。

在等待5min、30min、90min和180min后，分別從集氣袋1-4中以200mL/min的流量將氣體吸附到吸附柱上，吸附時(shí)間為20min。吸附后，用GC-MS測(cè)定氣體中苯系物濃度，研究苯系物的濃度變化趨勢(shì)。

（2）多離子水與去離子水質(zhì)量比為1：10和1：15

采用多離子水與去離子水質(zhì)量比分別為1：10和1：15的多離子水溶液，其他條件不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。分別等待5min，30min，90min，180min后，以200mL/min的流量將實(shí)驗(yàn)氣體吸附到吸附柱上，吸附時(shí)間為20min。用GC-MS測(cè)定其中苯系物的濃度，研究苯系物的濃度變化趨勢(shì)。

2.3.2多離子水與苯反應(yīng)機(jī)理研究

取兩只5L集氣袋，分別通入4.5L的苯標(biāo)氣，其中一只裝入60mL的去離子水，另一只裝入60mL質(zhì)量比為1：15的多離子水溶液。反應(yīng)30min后，用吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定集氣袋中多離子水和去離子水內(nèi)的苯含量，同時(shí)用兩組TenaxTA吸附柱對(duì)氣袋中氣體進(jìn)行采樣，吸附時(shí)間20min，采用氣相色譜法測(cè)定氣體中剩余苯含量。

圖1　不同濃度多離子水溶液對(duì)苯的去除效果對(duì)比

圖2　不同濃度多離子水溶液對(duì)甲苯的去除效果對(duì)比

3　結(jié)果與討論

3.1多離子水對(duì)苯的去除效果

如圖1所示，初始苯濃度為20.53mg/m3。從時(shí)間尺度上看，用多離子水溶液處理5min后，三種濃度均有較好的處理效果，質(zhì)量比為1：10的去除速率最高，達(dá)到80.90%。當(dāng)處理時(shí)間超過5min后，多離子水溶液對(duì)苯的去除速率有所下降。反應(yīng)3h后，質(zhì)量比為1：5的多離子水溶液對(duì)苯的去除效率為90.75%，質(zhì)量比為1：10的多離子水溶液對(duì)苯的去除效率為91.72%，質(zhì)量比為1：15的多離子水溶液對(duì)苯的去除效率為94.64%。

3.2多離子水對(duì)甲苯的去除效果

如圖2所示，甲苯的初始濃度為1.5mg/m3，用多離子溶液水處理5min后達(dá)到一定的處理效果，其中質(zhì)量比為1：5的多離子水溶液對(duì)甲苯的去除效率最為明顯，處理5min即可達(dá)到54%的去除效率。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，處理效果變化趨勢(shì)基本一致。反應(yīng)3h后，質(zhì)量比為1：5的多離子水溶液對(duì)甲苯的去除效率最高，達(dá)到60%，質(zhì)量比為1：10的多離子水溶液對(duì)甲苯的去除效率為20.67%，質(zhì)量比為1：15的多離子水溶液對(duì)甲苯的去除效率為19.33%。

3.3多離子水對(duì)二甲苯的去除效果

如圖3所示，二甲苯的初始濃度為1.7mg/m3，用多離子水溶液處理5min后就能達(dá)到良好的處理效果。當(dāng)處理時(shí)間超過5min，不同濃度多離子水溶液對(duì)二甲苯的去除速率有所降低。反應(yīng)3h后，質(zhì)量比為1：15的多離子水溶液對(duì)二甲苯的去除效率最高，為84.7%，質(zhì)量比為1：5的多離子水溶液對(duì)二甲苯的去除效率為74.1%，質(zhì)量

比為1：10的多離子水溶液對(duì)二甲苯的去除效率為80.59%。

圖3　多離子水溶液對(duì)二甲苯的去除效果圖

3.4多離子水與苯反應(yīng)機(jī)理研究

表1　多離子水和去離子水與苯反應(yīng)前后氣液相中苯含量

由表1可知，經(jīng)過多離子水溶液處理30min后，苯從初始濃度20.53mg/m3下降到4.81mg/m3，去除效率達(dá)76.6%，而多離子水液相中并未檢測(cè)到苯或苯系物；在與去離子水的對(duì)比試驗(yàn)中，經(jīng)過去離子水處理30min后，氣相中苯從初始濃度20.53mg/m3僅下降到20.34mg/m3，苯的濃度幾乎沒有任何變化，去離子水中也未檢測(cè)到苯。由此推斷多離子水對(duì)苯不是單純的物理吸收或溶解，而是使苯環(huán)斷裂，將苯轉(zhuǎn)化成另外的成分，從而達(dá)到去除效果。

4　結(jié)語

4.1本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同濃度的多離子水溶液對(duì)三種苯系物的去除效果。對(duì)苯而言，多離子水處理5min后，具有優(yōu)良的去除效果。質(zhì)量比為1：15的多離子水溶液對(duì)苯的去除效率最高，去除率為94.64%。對(duì)甲苯而言，不同濃度的多離子水去除趨勢(shì)相同，相對(duì)于質(zhì)量比為1：10和1：15的多離子水溶液而言，質(zhì)量比為1：5的多離子水溶液去除效果最佳，為60%。對(duì)二甲苯而言，前5min二甲苯去除速率最大，并隨時(shí)間延長(zhǎng)而減緩，最佳質(zhì)量比為1：15，去除效果為84.7%。

4.2多離子水與苯反應(yīng)機(jī)理的研究表明，多離子水對(duì)氣相中的苯具有優(yōu)良的去除效果，但在液相中并未檢測(cè)出苯或苯系物。由此推測(cè)，多離子水對(duì)苯不是單純的物理吸收或溶解，而是使苯環(huán)斷裂，將苯轉(zhuǎn)化成另外的成分，從而達(dá)到去除效果。

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［9］金宗哲，唐小惠，靳保芳，等.多種離子養(yǎng)生液、其制備方法及其用途.中國(guó)：CN 102068019 B［P］.2012.