楊亞宣，余文婷，羅明標

（東華理工大學 化學生物與材料科學學院，江西 南昌 330013）

隨著人們對居住環(huán)境要求的不斷提升，室內裝修已經(jīng)成為人們追求美好生活中的必需品。甲醛作為室內裝飾的主要污染物，長期接觸甲醛會導致人們患上霍奇金淋巴瘤、白血病等特殊癌癥的概率增大[1]。常用的凈化室內甲醛的方法主要包括通風換氣、綠色植物凈化、光催化法、空氣負離子法和吸附法[2-5]。目前，已經(jīng)研究了大量的吸附材料，并被應用于現(xiàn)實生活與生產。利用吸附法去除室內甲醛氣體是最經(jīng)濟、最方便的方法，較為常見的吸附材料有活性炭、硅灰基材料、氨基酸吸附材料、復合納米材料、天然提取物等[6]。目前，市面最有效的吸附去甲醛材料有納味卡和硅藻土等。

松蘿隸屬于鳳梨科鐵蘭屬，是多年生附生植物，雖有根，但根部不起吸收作用，可不需要土壤而在空氣中生長，因此被稱“松蘿”。松蘿葉片具有很強的從空氣中吸收水分和養(yǎng)分的能力，從而也可同時吸收大氣中的各種重金屬、有機污染物等物質，除觀賞外，一直被用來作為監(jiān)測環(huán)境變化的“指示植物”[6-15]。松蘿葉片表面覆蓋有厚厚的白色鱗片[7]，可以吸附絕大部分重金屬顆粒，如Hg、Pb、Cs、Sr等[8-9]。谷民天等[16]發(fā)現(xiàn)松蘿對天然放射性氣體氡也具有較強的抗性。松蘿是自然生長的植物，在自然中很常見，在我國一些西部山區(qū)更是隨處可見。因此，將松蘿這種天然的、無需添加任何添加劑的材料，應用于室內空氣凈化，必然具有遠大的利用前景。如果形成產業(yè)鏈，可以促進西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，加速精準脫貧。

本文以天然松蘿為實驗材料，展開對空氣中甲醛的吸附研究，探討了接觸時間、甲醛初始濃度對吸附效果的影響。實驗結果表明，甲醛濃度相同，接觸時間90 min達到吸附平衡，符合擬二級動力學，符合Langmuir等溫吸附模型，對甲醛的理論飽和吸附量為532 ng/g。松蘿吸附飽和后，可在光照、通風環(huán)境下完全脫附，可循環(huán)使用。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

松蘿，采集于西藏自治區(qū)林芝地區(qū)，自然風干。

1.2 主要試劑

甲醛氣體（50 mg/m3，用He平衡，上海偉創(chuàng)標準氣體分析技術有限公司）；酚試劑（分析純，阿拉丁）；硫酸鐵銨（分析純，西隴化工有限公司）；鹽酸（分析純，西隴化工有限公司）；納味卡（市場購置，盤錦德宣環(huán)保材料有限公司）；納米凈醛石（市場購置，鄭州阿凡達環(huán)寶材料有限公司）。

1.3 儀器設備

嶗應9011型大氣采樣器（青島眾瑞智能儀器有限公司）、721E型紫外分光光度計（上海光譜儀器有限公司）、吸附甲醛的裝置（自制）。

1.4 實驗方法

1.4.1 材料吸附效果的評價

稱取適量材料于網(wǎng)紗袋中，用雙面貼粘于吸附甲醛裝置（如圖1所示，直徑20 cm，高度32 cm，體積10 L，厚壁玻璃材質）頂面玻璃的內側。開啟充電小風扇，以保證箱內空氣循環(huán)流動。頂面玻璃用凡士林封口，玻璃對面上下位置開有一個圓孔（直徑2.5 cm），用于甲醛標準氣體的注入和采集。用玻璃注射器從下面的氣體入口向箱內注入甲醛標準氣體。反應一定時間后，從上面的氣體出口采集氣體測試。

圖1 吸附甲醛裝置示意圖

1.4.2 甲醛的濃度測定

本實驗采用的是國家標準GB/T 18204.26—2016《公共場所空氣中甲醛測定方法》中的第一法——酚試劑分光光度法。測定的范圍為0.1～1.5 μg；采樣體積為10 L，測定的濃度范圍為0.01～0.15 mg/m3。本法檢出下限為0.056 μg。標準曲線的線性范圍為0.01 ～ 0.15 mg/m3。

1.4.3 甲醛標準曲線的測定及繪制

以吸光度（A）為橫坐標，甲醛濃度（C）為縱坐標（mg/L），繪出甲醛標準曲線，其回歸方程為C=0.3252A+0.0323，R2=0.999 4。

1.4.4 甲醛去除率計算

其中，C2為空氣中剩余甲醛的濃度，mg/m3；C0為空氣中原有甲醛的濃度mg/m3。

2 結果與分析

2.1 探究時間對松蘿吸附甲醛影響

準確稱取6.00 g松蘿于吸附甲醛裝置中，注入150 mL甲醛氣體，加入后裝置內甲醛濃度為0.25 μg/L，分別在接觸不同時間后，測量甲醛的濃度，并通過計算得出甲醛的吸附率。甲醛吸附率與時間的關系圖，如圖2。由圖2可知，隨著時間的增加，甲醛吸附率不斷增加，90 min就基本達吸附平衡。

動力學是為了研究各種因素對反應速率影響規(guī)律，是研究反應過程的反應機理，一般有擬一級動力學和擬二級動力學[17]。擬一級動力學是假設以物理吸附為主，擬二級動力學是假設以化學吸附為主。接觸時間對松蘿吸附甲醛可模擬動力學，擬一級動力學模型（如圖3）和擬二級動力學模型（如圖4）。

圖2 吸附率與時間的關系

擬一級動力學公式：

式中：Qe為松蘿吸附平衡時的吸附量，ng/g；Qt為時間t時松蘿吸附甲醛的吸附量，ng/g；K1為一級吸附速率常數(shù), ng/(g·min）。

在 30～ 100 min，以 ln(Qe-Qt)對t作圖3。

擬二級動力學公式：

式中：Qe為松蘿吸附平衡時的吸附量，ng/g；Qt為時間t時的吸附量, ng/g；K2為二級吸附速率常數(shù)，g/(ng·min)。

在30～100 min，以時間t對t/Qt作圖4。

圖3 松蘿吸附甲醛的擬一級動力學模型圖

圖4 松蘿吸附甲醛的擬二級動力模型圖

計算松蘿吸附甲醛的擬一級、擬二級動力主要參數(shù)，見表1。

表1 松蘿吸附甲醛的擬一級、擬二級動力學參數(shù)

由表1可得，松蘿吸附甲醛的擬一級的相關系數(shù)為R=0.998，擬二級動力學的相關系數(shù)為R=0.999；而擬一級模型理論值吸附量311.53 ng/g，擬二級模型理論值吸附量342.47 ng/g。說明該吸附更符合擬一級動力學。根據(jù)擬一級動力學公式計算出松蘿吸附甲醛的速率常數(shù)為0.052 ng/(g·min)。

2.2 松蘿對甲醛的飽和吸附量的研究

準確稱取6 g松蘿7份于玻璃密封箱中，注入甲醛氣體，其甲醛濃度為0.10、0.20、0.30、0.40、0.60 μg/L和0.80 μg/L，90 min后，采集氣體測試吸附平衡后的甲醛的濃度，如圖5所示，吸附量高達440 ng/g。

圖5 甲醛的初始濃度對松蘿吸附甲醛的影響

Langmuir等溫吸附式：

式中：Ce為松蘿吸附平衡時甲醛的濃度，ng/L；Qe為吸附平衡時松蘿吸附甲醛的吸附量，ng/g；Qm為最大吸附容量，ng/g；K為Langmuir吸附平衡常數(shù)，L/ng。

在甲醛的初始濃度150～800 ng/L內，以Ce對Ce/Qe作圖6。

Freundlich等溫吸附式：

式中：Ce為黃鐵礦吸附平衡時鈾的濃度，ng/L；Qe為吸附平衡時黃鐵礦吸附鈾的吸附量，ng/g；KF為Freundlich吸附平衡常數(shù)，ng/g。

在甲醛的初始濃度150～800 ng/L，以lnCe對lnQe作圖7。

模擬Langmuir模型和Freundlich模型如下：圖6是甲醛的初始濃度為150～800 ng/L松蘿吸附甲醛的Langmuir等溫吸附曲線；圖7是甲醛的初始濃度為150～800 ng/L松蘿吸附甲醛的Freundlich等溫吸附曲線。

圖6 模擬的Langmuir等溫吸附曲線

圖7 模擬的Freundlich等溫吸附曲線

通過理論模型和理論計算[18]，得出松蘿吸附甲醛的Langmuir和Freundlich主要參數(shù)，如表2。

表2 松蘿吸附甲醛的Langmuir和Freundlich等溫吸附模型參數(shù)

由表2可得，6 g松蘿吸附甲醛模型在甲醛的初始濃度為150～800 ng/L更符合Langmuir等溫吸附。根據(jù)Langmuir模型公式計算理論的松蘿吸附甲醛的飽和吸附量為532 ng/g。

2.3 對松蘿吸附飽和后的脫附性能探究。

用分析天平分別稱取4份8 g松蘿，將這4份松蘿都放置于甲醛濃度較高的玻璃瓶中100 min，等松蘿吸附達到飽和后，將其放置于通風良好的通風口2 min除去松蘿周圍的甲醛。再將這4份均放置在4個空的玻璃瓶中在太陽光照射下進行脫附反應，反應時間為30 min、60 min、90 min和120 min。再用其進行采樣，測試甲醛濃度，從實驗結果可知，在脫附到90 min的時候脫附的量達到最大值并且之后不再脫附。每次脫附后，收集以進行下一個吸附試驗循環(huán)。在重復試驗中，松蘿的吸附在5個循環(huán)期間沒有顯著下降，并且甲醛吸附的飽和吸附量均保持在約500 ng/g。這表明，具有低成本、高吸附穩(wěn)定性的松蘿在吸附空氣中甲醛應用中顯示出巨大的應用潛力。

2.4 松蘿與市面上的吸附甲醛材料的比較

松蘿吸附除甲醛的現(xiàn)實使用效果水平及市場應用可行性，選擇了兩種市面上主要的吸附甲醛的材料——納味卡和納米凈醛石，與天然、無添加劑的松蘿比較吸附甲醛的效果?？紤]單位質量吸附材料的價格因素，在比較該3種吸附材料時，選擇納味卡0.8 g，而松蘿和納米凈醛石8 g。結果如圖7，松蘿吸附甲醛的吸附量稍低于市面上2種材料。所以，松蘿作為一種天然、無任何人為添加劑的吸附甲醛材料，特別是在室內甲醛去除領域，具有廣闊的應用前景。

3 結論

（1）接觸時間90 min后達到飽和吸附量，符合擬一級動力學，符合Langmuir等溫吸附模型，對甲醛的理論飽和吸附量為532 ng/g。

（2）松蘿吸附飽和后，可在光照、通風環(huán)境下完全脫附，可循環(huán)使用至少5次。如連續(xù)使用1～3個月，建議拿到室外光照2h，可恢復吸附量的60%～80%。

（3）松蘿是在自然界中很常見，特別是在高原森林地區(qū)隨處可見，如果得到很好地開發(fā)利用，可以促進西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，加速精準脫貧。

圖7 不同材料吸附率對比