李倩王曉旭/.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院;2.國家建筑材料及裝飾裝修材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
溫度和吸附時間對竹炭去除有害物質(zhì)的影響
李倩1,2王曉旭1/1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院;2.國家建筑材料及裝飾裝修材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
分析了不同溫度、吸附時間對竹炭除去有害物質(zhì)的影響。研究表明:竹炭對分子量大、沸點(diǎn)高、極性弱的TVOC試驗(yàn)液的吸附性能更高。溫度對竹炭的吸附性能影響明顯。在實(shí)際使用過程中,竹炭除去有害物質(zhì)的最佳持續(xù)吸附時間為4~5 d。
竹炭;有害物質(zhì);吸附;最佳持續(xù)吸附時間
室內(nèi)空氣污染物有來源廣、種類多的特點(diǎn)。常見的主要污染物有甲醛、氡、揮發(fā)性有機(jī)物等。甲醛是一種無色、有強(qiáng)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(qiáng)烈的芳香氣味。苯系污染物和TVOC已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為強(qiáng)烈致癌物質(zhì)[2]。
室內(nèi)污染防治措施主要有吸附凈化、紫外線消毒、化學(xué)消毒、光催化氧化、空氣負(fù)離子技術(shù)、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(zhì)和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。吸附質(zhì)是指被吸附劑吸附的對象,即吸附過程中的吸附目標(biāo)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(zhì)。
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(diǎn):選擇性強(qiáng)、比表面積較大、孔徑范圍廣、表面富含多種官能團(tuán)、性能穩(wěn)定以及可以再生等。因此,活性炭市場應(yīng)用越來越廣,在“大吸附量、多功能、高強(qiáng)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(zhì)為甲醛、苯、TVOC試驗(yàn)液,吸附劑為竹炭,吸附過程具體分為四個過程,見圖1。
實(shí)際使用過程中,竹炭不免會產(chǎn)生飽和吸附和反釋放,而每種竹炭的表面結(jié)構(gòu)不同,吸附作用也相差甚遠(yuǎn),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(chǎn)生竹炭量不夠、達(dá)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(nèi),這樣大大降低了竹炭的吸附作用。
本項(xiàng)研究著重于分析不同溫度、吸附時間對竹炭除去有害物質(zhì)的影響,并提出竹炭在不同溫度下去除室內(nèi)有害氣體的推薦放置時間,更有效更合理地改善室內(nèi)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
1.1 儀器設(shè)備、試劑和吸附劑
儀器設(shè)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(jì)南海納特科技有限公司);DHG-9036A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)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(jī)物(TVOC)試驗(yàn)液。選取兩種商業(yè)竹炭為吸附劑。
1.2 吸附實(shí)驗(yàn)方法
根據(jù)GB/T 26900-2011[7]《空氣凈化用竹炭》的要求,稱取經(jīng)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(zhǔn)至0.1 mg),放入預(yù)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(yàn)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(zhì)量的竹炭試樣做空白試驗(yàn)。以竹炭的增重占原試樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示竹炭對甲醛、苯、TVOC試驗(yàn)液的吸附率。具體按照式(1)計(jì)算。
1.3 結(jié)果計(jì)算
活性炭吸附率以%表示,按式(1)計(jì)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(zhì)量,g;
m2—吸附后竹炭試樣和稱量瓶的質(zhì)量,g;
m3—空白試驗(yàn)竹炭增加的質(zhì)量,g;
m—竹炭試樣的質(zhì)量,g
2.1 不同吸附質(zhì)對竹炭吸附能力的影響
為了考察不同吸附質(zhì)對竹炭吸附能力的影響,本項(xiàng)試驗(yàn)中分別選取了25 ℃下在氣候箱中恒溫吸附甲醛、苯、TVOC試驗(yàn)液24 h后得到的吸附率,結(jié)果如圖3所示。
根據(jù)圖1可知,竹炭對于甲醛、苯、TVOC試驗(yàn)液的吸附量依次增加,并且增加顯著。這可能是由吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、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(yàn)液的吸附率
1)分子量大的吸附質(zhì)易于被吸附。這可能由于大分子量的吸附質(zhì)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(diǎn)高的有機(jī)氣體易于被吸附。這可能是由于有機(jī)物的沸點(diǎn)越高,在竹炭孔隙間液化或凝結(jié)以及毛細(xì)凝聚的可能性越大。甲醛、苯、TVOC的沸點(diǎn)依次為-19.5 ℃、80.1 ℃、103.7 ℃。
3)弱極性吸附質(zhì)易于被吸附。這可能是由于竹炭C-C是非極性物質(zhì),而非極性物質(zhì)相互吸附性能更強(qiáng)。苯、TVOC可視為非極性物質(zhì),而甲醛為極性物質(zhì)。
2.2 溫度對竹炭去除有害物質(zhì)的影響
為了考察溫度對竹炭去除有害物質(zhì)的影響,本項(xiàng)試驗(yàn)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(yàn)液24 h后得到的吸附率,結(jié)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(yàn)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(zhì)從流體主體上的擴(kuò)散,從而在單位時間內(nèi)增加了外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)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(jìn)一步升高,雖然增加了吸附質(zhì)擴(kuò)散的量但也增大了竹炭上被吸附物質(zhì)的反擴(kuò)散活性,使得其外表面上的吸附質(zhì)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(chǎn)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(zhì)擴(kuò)散,極大程度上增加了竹炭內(nèi)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(zhì)的影響
由于甲醛之類的吸附質(zhì)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(yàn)液24 h、48 h、72 h、96 h、168 h,結(jié)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得到吸附率隨吸附時間的曲線方程。經(jīng)計(jì)算得出拐點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為竹炭除去單種有害物質(zhì)的最佳持續(xù)吸附時間,具體見表1。本項(xiàng)試驗(yàn)中,假設(shè)三種吸附質(zhì)的擴(kuò)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(shí)際使用過程中除去有害物質(zhì)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(yàn)液的影響規(guī)律
表1 竹炭去除有害物質(zhì)的最佳持續(xù)吸附時間
本項(xiàng)研究分析了竹炭吸附有害物質(zhì)的部分影響因素,發(fā)現(xiàn)竹炭對分子量大、沸點(diǎn)高、極性弱的TVOC試驗(yàn)液吸附性能更高;在20~25 ℃時竹炭對甲醛、苯、TVOC試驗(yàn)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(shí)際使用過程中除去有害物質(zhì)的最佳持續(xù)吸附時間為4~5 d。由于每種吸附質(zhì)的擴(kuò)散情況、理化性能均不相同,彼此間的影響也更為復(fù)雜,竹炭在實(shí)際使用過程中除去有害物質(zhì)的最佳持續(xù)吸附時間可能也存在著變化。另外,本項(xiàng)試驗(yàn)考慮的溫度點(diǎn)也不足。這些將在今后的試驗(yàn)中再進(jìn)一步探索研究,并希望本文對相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制訂提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。
[1]戚其平,徐東群,朱昌壽,等. 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究[C]. 中華預(yù)防醫(yī)學(xué)會第一屆全國室內(nèi)空氣質(zhì)量與健康學(xué)術(shù)研究會論文集. 北京∶ 北京出版社,2002.
[2]史德,蘇廣和. 室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康的影響[M]. 北京∶ 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2005.
[3]陳培珍,劉俊劭,江慧華.吸附法降低室內(nèi)甲醛的研究[J]. 武夷學(xué)院學(xué)報(bào).2012,31(2)∶33-36.
[4]程曉云,孫高琴,戚偉堯,等.竹炭對室內(nèi)甲醛的吸附性能試驗(yàn)[J].浙江林業(yè)科技.2012,32(1)∶44-46.
[5]孫康, 蔣劍春.國內(nèi)外活性炭的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè). 2009, 29(6)∶ 98-104.
[6]宋建飛.活性炭吸附VOCs及其構(gòu)效關(guān)系研究[D].中南大學(xué),2014.
[7]全國竹藤標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 26900-2011空氣凈化用竹炭[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011
圖3 流出系數(shù)C的計(jì)算
參考文獻(xiàn):
[1]全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會第一分技術(shù)委員會.GB/T 2624.2-2006 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.
[2]王東,郭淑梅,白巖,等. 差壓式孔板流量計(jì)的誤差來源與控制對策[J].天然氣工業(yè),2014;24(10)∶132-135.
[3]紀(jì)綱.流量測量儀表應(yīng)用技巧,2版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:16-17.
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)