改性活性炭吸附甲醛的影响因素研究

摘要利用浸渍法制备出以柱状活性炭为基材负载高锰酸钾（KMnO4）的复合型甲醛吸附材料，利用比表面积及孔隙度分析测试仪和场发射扫描电子显微镜观察活性炭改性前后的物理结构变化，搭建单通道滤料性能测试实验台研究高锰酸钾负载率、气体相对湿度、重复负载对改性活性炭吸附甲醛的性能影响。结果表明：未负载KMnO4的活性炭对甲醛的吸附性能最差，负载率5%、10%、20%、24%的改性活性炭比未改性活性炭吸附容量增大1.1、3.5、4.5、5.5倍，最佳负载率为24%；负载率10%的改性活性炭在相对湿度为20%、50%比相对湿度80%时，甲醛吸附容量增大1.5、1.3倍；改性活性炭失活后，重复负载KMnO4一次仍表现出良好的甲醛吸附性能。但重复负载两次后改性活性炭的甲醛吸附性能下降明显。引言随着健康理念的增强，室内空气质量成为人们日益关注的话题。甲醛是室内主要的气态污染物之一，其具有毒性大、释放周期长、释放源广泛等特点。室内空气中的甲醛主要来源于建筑装修材料中的人造板材、粘合剂、油漆、消毒剂、燃料的不完全燃烧等。世界卫生组织已将甲醛确认为致畸形或致癌物质，短期或长期暴露在甲醛超标的环境中均可对人体造成伤害。目前甲醛的净化技术主要有光催化氧化技术、热催化氧化技术、等离子技术、吸附技术等。光催化氧化技术在净化室内甲醛的过程中受光照条件的限制，紫外线不足导致其净化效果不稳定。热催化氧化技术若使用贵金属催化剂其成本过高，若使用相对廉价的过渡金属氧化物催化剂又受室内温度的影响难以达到较高的催化温度。等离子技术的设备昂贵，在净化过程中能耗高且伴随CO、O3等有害气体对室内环境造成二次污染。吸附技术是室内除甲醛的主要技术，其主要分为物理吸附和化学吸附。活性炭是最常见的用于吸附室内甲醛的多孔材料，但普通活性炭在吸附甲醛的过程中主要以物理吸附为主，吸附效果不佳，通常会有脱附现象的产生。为了加强活性炭对甲醛的吸附能力与吸附稳定性，通常会在活性炭上负载其他化学吸附剂进行化学改性，使改性活性炭在吸附甲醛的过程中增加更多的化学吸附。化学吸附甲醛具有不可逆性，当改性活性炭吸附饱和后，容易导致活性炭基材的大量浪费问题。高锰酸钾具有强氧化性可与甲醛反应生成二氧化碳和水，是理想的甲醛化学吸附剂。本文利用浸渍法制备一种活性炭负载KMnO4的复合型甲醛吸附材料。影响该材料物理吸附甲醛的主要因素是活性炭表面物理结构变化，如比表面积、孔径、孔容等。因高锰酸钾直接与甲醛反应，所以高锰酸钾负载率是影响该材料化学吸附甲醛的主要因素。除此之外，根据相关文献研究发现甲醛气体相对湿度也可对吸附材料吸附甲醛效果产生重要影响。从经济环保的角度出发，在该材料吸附甲醛饱和失活后，为减少大量活性炭基材的浪费，有必要对失活材料进行重复负载高锰酸钾，用于二次吸附甲醛。基于以上描述，本文观察了活性炭改性前后的表面物理结构变化，搭建单通道滤料性能测试实验系统研究负载率、气体相对湿度、重复负载对该材料吸附甲醛的性能影响。结论通过浸渍法研制出一种活性炭负载高锰酸钾的甲醛吸附材料，通过观察活性炭改性前后的表面物理结构，研究负载率、相对湿度以及重复负载对该材料吸附甲醛性能的影响，得到以下结论：1）负载高锰酸钾后，改性活性炭的比表面积、平均孔径、孔容均呈现下降趋势，理论上活性炭的物理吸附甲醛能力会下降，但高锰酸钾与甲醛在活性炭表面发生更多的化学吸附，使改性活性炭的整体吸附甲醛能力大于未改性之前。2）未负载高锰酸钾的活性炭对甲醛的吸附性能最差，随着负载率的增加，改性活性炭的甲醛吸附性能逐渐上升，最佳的负载率为24%，比未改性活性炭吸附容量扩大5.5倍。当负载率超过24%时，改性材料的甲醛吸附性能逐渐下降。3）甲醛气体的相对湿度对改性活性炭的吸附性能产生重要影响，相对湿度为20%、50%比80%时，负载率10%的改性活性炭甲醛吸附容量增大1.5、1.3倍，吸附饱和时间延长30%、15%，平均吸附衰减率下降百分比分别为6.1%、1.9%。甲醛气体相对湿度越低，改性活性炭吸附能力越强。4）将初次负载的活性炭（负载率10%）与其失活后重复负载两次对比，前者甲醛吸附容量增大1.6倍，吸附饱和时间延长48%，平均吸附衰减速率下降百分比为32.4%。重复负载一次和重复负载两次相比，前者甲醛吸附容量增大1.4倍，吸附饱和时间延长33%，平均吸附衰减速率下降百分比为31.1%。从经济环保的角度考虑，初次负载的活性炭失活后可再次负载一次用于甲醛吸附。

目录1

实验部分1.1

主要试剂与仪器1.2

实验材料制备过程1.3

实验材料表面物理结构分析图1为不同KMnO4负载率的活性炭扫描电镜图，其中图1a为负载率为0%的活性炭扫描电镜图，可以看出其表面相对平滑，以椭圆形为主的孔结构较为明显，可能由于制造过程中结晶洗涤不充分遗留许多白色物质在上面。图1b、1c、1d分别为KMnO4负载率为5%、10%、20%的活性炭扫描电镜图，可以看出负载高锰酸钾后活性炭表面被严重侵蚀，呈珊瑚形状粗糙不平、紧密堆积、孔隙明显增加。1.4

实验台介绍依据ISO和ASHRAE国际标准搭建单通道固定床甲醛吸附测试系统。如下图所示，该系统包括空气净化装置、湿度调节装置、甲醛产生装置、滤料测试装置、数据采集装置。1.5

实验内容采用单一变量法研究负载率、相对湿度、重复负载对改性活性炭吸附甲醛的性能影响。2

实验结果及分析2.1

负载率对甲醛吸附性能影响分析2.2

相对湿度对甲醛吸附性能影响分析2.3

重复负载对甲醛吸附性能影响分析2.4

本研究的局限性本文所制备的复合型甲醛吸附材料及在测试其吸附甲醛性能的实验中具备一定的局限性。今后的研究中应有以下改进与拓展