趙艷梅 張 婷 （淮陰工學(xué)院 223001）

基于凹土吸附性能的空氣凈化產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)與研究

趙艷梅 張 婷 （淮陰工學(xué)院 223001）

本文旨在通過對(duì)凹凸棒石黏土材料吸附性能的研究，了解改性凹凸棒石黏土吸附性能及制備工藝，綜述其可應(yīng)用的領(lǐng)域，研究其對(duì)空氣中有害氣體的凈化效果，進(jìn)而探索其在空氣凈化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性，以充分開發(fā)和利用地方特色資源助力治霾，并提出產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的思路。

凹土；吸附性能；改性；凈化

一、 凹土資源及研究現(xiàn)狀

“凹凸棒石黏土”又被稱為“凹土”，是一種稀有的非金屬礦產(chǎn)資源。凹土材料性能豐富、穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用在石油、化工、建材、采礦、食品、造紙、印染和環(huán)保等多領(lǐng)域中，因此具有“千面用土”、“千土之王”的美稱。我國(guó)凹土儲(chǔ)量豐富，江蘇盱眙地區(qū)凹土儲(chǔ)量占據(jù)世界凹土儲(chǔ)量的49%。近幾年來國(guó)家普及新能源戰(zhàn)略的實(shí)施，使更多有關(guān)凹土的先進(jìn)科研技術(shù)被研發(fā)，但目前凹土材料在我國(guó)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，依然停留在轉(zhuǎn)化率較低的“原料級(jí)產(chǎn)品”層面。凹土具有優(yōu)良的吸附性能，能夠吸收空氣中的甲醛等有害物質(zhì)，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、綠色環(huán)保。近幾年，消費(fèi)者越來越注重空氣質(zhì)量問題，這也促使空氣凈化產(chǎn)品進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的空氣凈化產(chǎn)品存在吸附性能單一、吸附物游離、難以回收利用等問題。因此，基于凹土優(yōu)良的吸附性能的空氣凈化產(chǎn)品的研究開發(fā)顯得尤為迫切。

凹土資源的合理開發(fā)與高值化利用成為新的熱門研究領(lǐng)域，先后成了了凹土材料研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、研究所等，凹土基吸附劑和催化劑的開發(fā)是使凹土得到高值化利用的重要方式。目前越來越多的研究將凹土材料應(yīng)用于大氣治理領(lǐng)域，提出凹土基脫硫催化劑的應(yīng)用研究，這將為凹土資源的高附加值的利用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。天然凹土本身具有一定的吸附能力，但是其吸附容量有限，因此可以考慮利用凹土的富鎂鋁硅鹽特性，將其深加工為優(yōu)良的吸附材料分子篩的方法來實(shí)現(xiàn)凹土的高值化利用。

二、 凹土材料性質(zhì)與吸附領(lǐng)域應(yīng)用

凹土是一種非金屬黏土礦物，結(jié)構(gòu)獨(dú)特、吸附性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域。凹凸棒土原材料價(jià)格低廉，它是一種重要的礦產(chǎn)資源，同時(shí)也是一種不可再生資源，因此如何更好的利用凹土材料，提高材料的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)高附加值產(chǎn)品，避免資源浪費(fèi)，成為重要的研究課題和發(fā)展方向。此外，進(jìn)一步拓展凹土應(yīng)用范圍也十分重要，要基于其傳統(tǒng)適用行業(yè)如化工、材料、造紙、水處理等，盡快推廣至以通信、生物醫(yī)藥、航空航天、新材料和新能源生產(chǎn)與存儲(chǔ)為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中。

凹土是一種具有層鏈狀晶體結(jié)構(gòu)及纖維狀、棒狀晶體形態(tài)的天然含水富鎂硅酸鹽粘土礦物。因特殊晶體結(jié)構(gòu)使其展現(xiàn)了多種特殊的物理、化學(xué)和工藝性能。凹土的基本特性包括幾點(diǎn)：第一，特殊的電荷分布。由于表面 Si?O、Al?O和Mg?O 斷鍵產(chǎn)生的 R?OH 上的具有酸堿兩性的羥基（OH?）， 在不同pH環(huán)境中凹土可以分別做陰離子和陽離子吸附劑。特殊的電荷分布還使凹土具有優(yōu)良的膠體特性和水懸浮性質(zhì)，使其還可以可應(yīng)用于油田循環(huán)鉆井泥漿、懸浮劑、合成印花糊料、涂料添加劑和觸變劑等；第二，較大的比表面積。據(jù)報(bào)道凹土的比表面積可以達(dá)到150～210 m2/g，而經(jīng)過改性處理后甚至可高達(dá)423 m2/g。；在水處理應(yīng)用中，凹土能夠吸附多種重金屬離子（如：Pb2+、Cd2+和Cr3+等）、放射性金屬離子（鈾和錒系元素等）、染料（包括陽離子染料和陰離子等染料）、酚類物質(zhì)等；第三，豐富的孔道結(jié)構(gòu)。凹土棒晶擁有豐富納米尺寸的孔道，這些孔道結(jié)構(gòu)可以同時(shí)進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸附。，該特性使凹土具有一定的催化性能，而且也可以作為優(yōu)良的催化劑載體。由以上介紹可知，由于天然的鏈層狀晶體結(jié)構(gòu)，凹土具有突出的吸附、流體、納米結(jié)構(gòu)等物化屬性。其中優(yōu)異的吸附性能，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究重點(diǎn)。

天然凹土本直接應(yīng)用于吸附領(lǐng)域，還具有一定的局限性。因此，為了增強(qiáng)凹土的實(shí)際使用效果，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男蕴幚?。常用的改性方法可大致分為酸活化、熱處理和有機(jī)改性處理等。酸化理可溶解凹土晶體中部分四面體和八面體結(jié)構(gòu)凹凸棒土內(nèi)部四面體與八面體結(jié)構(gòu)部分溶解，洗去凹土微納米孔道中的雜質(zhì)，可疏通孔道和增加孔數(shù)目，達(dá)到比表面積增大的目的。同時(shí)酸化處理還可改變水溶液中凹土結(jié)構(gòu)電荷和表面電荷，增強(qiáng)其吸附性能。熱處理則不僅可以去除凹土中表面吸附水、孔道吸附水和結(jié)晶水，還能夠分解凹土內(nèi)部分礦物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)，從而使其變得多孔疏松，提高比表面積和孔隙容積，提高吸附能力。有機(jī)改性也可改善凹土表面結(jié)構(gòu)，有效提高其吸附性能。

大量報(bào)道表明改性后的凹土具有吸附效率高、平衡時(shí)間短和吸附劑能夠反復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，這為凹土的實(shí)際應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支撐。但是部分改性措施會(huì)造成二次污染，且增大了凹土使用和再生的成本。因此合適的改性措施和有效的再生方法是目前研究的關(guān)鍵。

三、 凹土在空氣凈化產(chǎn)品中的應(yīng)用研究

隨著國(guó)內(nèi)霧霾的出現(xiàn)及給人們帶來的種種問題，治霾成為亟待解決的問題，各類空氣凈化產(chǎn)品層出不窮，目前市場(chǎng)上的空氣凈化產(chǎn)品所采用的凈化技術(shù)種類豐富，主要有活性炭吸附技術(shù)、負(fù)氧離子技術(shù)、活性氧技術(shù)、靜電集塵技術(shù)、低溫非對(duì)稱等離子體空氣凈化技術(shù)、分子絡(luò)合技術(shù)、光觸媒催化分解技術(shù)以及HEPA高效過濾技術(shù)等，對(duì)于空氣中的污染物質(zhì)基本可以凈化，但是都存在一定程度的缺陷 ，如在凈化空氣的同時(shí)，會(huì)將吸附的無毒物質(zhì)分解成對(duì)人體有危害的有毒物質(zhì)，對(duì)人體造成傷害；另外為防止濾網(wǎng)飽和，需要定期的更換濾網(wǎng)，維護(hù)的成本較高?；诖祟惪諝鈨艋a(chǎn)品中的弊端，凹土材料的純天然、可回收再利用的性質(zhì)顯得尤為珍貴。

將凹土材料應(yīng)用于空氣凈化產(chǎn)品中，延續(xù)了“凹土治霾”科技的發(fā)展，對(duì)其空氣凈化功能進(jìn)行創(chuàng)新性利用，開發(fā)設(shè)計(jì)能適應(yīng)不同環(huán)境的空氣凈化產(chǎn)品，同時(shí)提升空氣凈化產(chǎn)品外觀造型的美感，使產(chǎn)品適用于家庭、辦公、醫(yī)療、工業(yè)等不同環(huán)境，滿足孕婦、兒童等特殊群體或普通消費(fèi)者對(duì)純凈無污染的室內(nèi)空氣環(huán)境的需求。針對(duì)江蘇盱眙凹土這種特有的稀缺非金屬資源，結(jié)合其優(yōu)良的吸附、凈化功能和先進(jìn)科研技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化思路研究，實(shí)現(xiàn)具有地方特色資源的高附加值產(chǎn)品開發(fā)，降低產(chǎn)品成本，節(jié)約資源，為企業(yè)和地區(qū)發(fā)展考慮，帶動(dòng)整個(gè)江蘇盱眙地區(qū)凹土產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)真正的綠色環(huán)保。

將凹土材料應(yīng)用于空氣凈化產(chǎn)品中，運(yùn)用創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方法，不斷的尋找實(shí)現(xiàn)凹土最大吸附性能的方法，提高資源的利用率，減少產(chǎn)品成本，基于凹土改性后吸附性能的提高和可再生的特性。在空氣凈化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們研究了兩種應(yīng)用方式，第一種是將凹土做成吸附劑面板（如圖1），經(jīng)過除塵器處理的臟空氣，再經(jīng)過凹土吸附劑的過濾，將空氣中有害氣體吸附，為用戶輸送健康綠色的空氣。同時(shí)在設(shè)計(jì)中將吸附劑作為空氣凈化器內(nèi)可拆卸的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，方便定期更換，保證空氣凈化的效果。更換的凹土吸附劑面板經(jīng)過處理后可重新再生利用。第二種是將經(jīng)過酸化處理的凹土做成集塵濾網(wǎng)（如圖2），通過三層濾網(wǎng)的處理，可將空氣中絕大部分的有害氣體和灰塵凈化，進(jìn)而達(dá)到凈化空氣的效果。在設(shè)計(jì)中，將濾網(wǎng)集合為一個(gè)可拆卸的濾芯結(jié)構(gòu)，方便整機(jī)的安裝和后期更換，方便用戶使用，濾網(wǎng)的凈化效率有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1

圖2

趙艷梅，講師，單位：淮陰工學(xué)院，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。

張婷，學(xué)生，本科在讀，單位：淮陰工學(xué)院，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。