蔣 昊 狄育慧 文 力 陳 埜 牛立科

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含有高錳酸鉀氧化劑的空氣凈化器去除甲醛的應(yīng)用研究

蔣 昊1狄育慧1文 力1陳 埜2牛立科3

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048； 2.西安創(chuàng)潔環(huán)境科技有限公司 西安 710065 3.煙臺寶源凈化有限公司 煙臺 264003）

選用管狀式反應(yīng)器測試不同載體的高錳酸鉀氧化劑在氣密室內(nèi)氧化氣態(tài)甲醛的效果，并用板式反應(yīng)器測試了氧化劑對甲醛的累計(jì)去除量。結(jié)果表明：載體選用活性氧化鋁時(shí)高錳酸鉀氧化甲醛的效果最好，其甲醛的累計(jì)去除量為理論值的42%；對管狀式反應(yīng)器中3種用量的氧化劑進(jìn)行測試，當(dāng)風(fēng)量為300m3/h時(shí)甲醛的一次通過率為21.88%～69.33%；氧化劑用量為1.25kg時(shí)管狀式反應(yīng)器的凈化效能在合格級范圍，氧化劑用量在2.5kg以上時(shí)管狀式反應(yīng)器的凈化效能在高效級范圍。通過對比分析風(fēng)量為300m3/h和600m3/h時(shí)甲醛的一次通過率可知，風(fēng)量為300m3/h時(shí)氧化劑的性能較高。

高錳酸鉀；甲醛；氧化；一次通過率；凈化效能

0 引言

據(jù)調(diào)查，人類大約有80%以上時(shí)間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到人們的身體健康[1]。室內(nèi)主要污染物包括甲醛、甲苯、二甲苯等，其主要來源于人造板、涂料等裝修建材[2]，其中甲醛具有很強(qiáng)的毒性，是致癌和致畸形的物質(zhì)，長期接觸甲醛會導(dǎo)致記憶力下降、慢性呼吸道疾病、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，甚至?xí)l(fā)各類癌癥。流行病學(xué)的調(diào)查顯示，長期接觸甲醛的人易患鼻咽、皮膚和消化道癌癥。因此，室內(nèi)甲醛的危害越來越引起了人們的關(guān)注[3-5]。

目前處理室內(nèi)污染物常用手段有光催化、吸附[6,7]、貴金屬催化氧化等。吸附方法主要包括物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要依靠分子間范德華力作用進(jìn)行吸附，常見的是活性炭[8]。化學(xué)吸附主要是將化學(xué)物質(zhì)負(fù)載至具有一定吸附性能的載體上，先將吸附質(zhì)吸附于載體上，進(jìn)而使吸附質(zhì)分子與吸附劑分子發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移、交換或共用，形成 化學(xué)吸附鍵；現(xiàn)階段常用的吸附載體有活性炭、活性氧化鋁、分子篩以及膨脹珍珠巖等。

活性氧化鋁（Al2O3）是常用做脫水吸附劑與色譜吸附劑，更重要的可作為催化劑載體[9]；分子篩是一種人工合成的具有篩選分子作用的水合硅鋁酸鹽或天然沸石，不同孔徑的分子篩可以篩選不同的物質(zhì)[10]；膨脹珍珠巖是天然酸性玻璃質(zhì)火山熔巖，經(jīng)高溫下煅燒后體積膨脹15倍以上而得到[11]，其特點(diǎn)是密度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸附性好以及防火等[12]。

由于高錳酸鉀具有強(qiáng)氧化性，在中性條件下可與室內(nèi)氣態(tài)甲醛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，理論上可以生成CO2、H2O以及MnO2，同時(shí)MnO2對甲醛也有一定的催化降解作用，且不同晶型結(jié)構(gòu)的MnO2對甲醛的催化效果不同[13-16]，因此理論上含有高錳酸鉀的氧化劑具備高效去除甲醛的能力，反應(yīng)方程式如下[17]；

由于反應(yīng)過程中高錳酸鉀的過量及其強(qiáng)氧化性，會造成甲醛與高錳酸鉀按照式（1）、（2）同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，且在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生少量的堿性物質(zhì)，使反應(yīng)向式（3）方向進(jìn)行。

故本文利用浸漬法將KMnO4負(fù)載于活性氧化鋁、5?球形分子篩以及膨脹珍珠巖，測試了負(fù)載高錳酸鉀后氧化劑對氣態(tài)甲醛的去除效果，并且探討了高錳酸鉀去除甲醛的機(jī)理，同時(shí)對改裝并含有高錳酸鉀氧化劑的空氣凈化器去除甲醛的效果進(jìn)行了應(yīng)用研究，以確定該類凈化器的凈化潛能。

1 氧化劑的合成與制備

由前文可知，氧化劑選擇高錳酸鉀，實(shí)驗(yàn)用載體分別選擇3～5mm的活性氧化鋁、5?球形分子篩以及膨脹珍珠巖。由于膨脹珍珠巖的密度小于其余兩種載體，且受實(shí)驗(yàn)條件的限制，因而載體的用量按照同等體積來確定。之后用去離子水配置等量且濃度均為0.4mol/L的高錳酸鉀溶液，然后將上述三種等體積的載體洗凈、烘干并浸泡于上述溶液一定時(shí)間，最后取出并烘干即可制得不同載體的高錳酸鉀氧化劑。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)市場上常見反應(yīng)器與濾芯結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了管狀式反應(yīng)器和板式反應(yīng)器，其中板式反應(yīng)器尺寸較小，用于測試氧化劑的壽命，管狀式反應(yīng)器用于測試氧化劑降解甲醛的效果。

圖1 管狀式反應(yīng)器

圖2 板式反應(yīng)器

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用一款家用空氣凈化器按照管狀式反應(yīng)器進(jìn)行改裝，并在氣密室中進(jìn)行高錳酸鉀降解甲醛的效果測試，模擬空間尺寸為3m×5m×2.8m，空間的頂部安裝一個(gè)吊扇，中部放置改裝的空氣凈化器，左邊墻壁的上部設(shè)置甲醛進(jìn)氣口，下部設(shè)置排氣口，待測試結(jié)束后排氣，如圖3所示。

圖3 氣密室示意圖

選用一款車載空氣凈化器按照板式反應(yīng)器進(jìn)行改裝，放置于玻璃倉中測試高錳酸鉀氧化鋁球的壽命，玻璃倉尺寸為1m×1m×1m，且全部由玻璃制作，頂部設(shè)置進(jìn)氣口，內(nèi)部設(shè)置攪拌風(fēng)機(jī)，待測試結(jié)束后打開頂部玻璃蓋板排氣，如圖4所示。

圖4 玻璃倉示意圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

為保持氧化劑測試過程的可對比性，故氣密室中甲醛的初始濃度控制在1.0±0.2mg/m3。

3.1 不同種類載體的氧化劑降解甲醛的測試與分析

實(shí)驗(yàn)用載體分別選擇膨脹珍珠巖、分子篩以及活性氧化鋁，反應(yīng)器選擇管狀式反應(yīng)器，風(fēng)機(jī)風(fēng)量設(shè)定為300m3/h；由于管狀式反應(yīng)器的容積固定為4L，因而各氧化劑均按照4L的容積來裝填，通過測量可知分子篩與活性氧化鋁各可裝填2.5kg，膨脹珍珠巖可裝填450g，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同載體的氧化劑效果測試

由圖5可知在相同的時(shí)間內(nèi)甲醛的降解速度由快到慢的依次是：活性氧化鋁＞分子篩＞膨脹珍珠巖，分析可知由于膨脹珍珠巖的吸水率太高導(dǎo)致氧化劑溶液全部被吸收，內(nèi)部微孔被堵塞，使得反應(yīng)僅能在表面進(jìn)行，縮短了甲醛在氧化劑表面的滯留時(shí)間從而降低了反應(yīng)速率。而分子篩與活性氧化鋁相比，選用的分子篩的有效孔徑過小，僅為0.5nm，相比之下活性氧化鋁的有效孔徑約為3～6nm[17]，而甲醛分子的等價(jià)直徑為0.45nm，與分子篩的孔徑相近，從而阻礙了甲醛分子在球形分子篩內(nèi)部的擴(kuò)散，因此降解速度慢于活性氧化鋁。故氧化劑載體選擇活性氧化鋁。

3.2 管狀式反應(yīng)器的測試與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，實(shí)驗(yàn)用載體選擇活性氧化鋁，因而改裝空氣凈化器結(jié)構(gòu)以及增添管狀式反應(yīng)器的個(gè)數(shù)，使裝填的氧化劑質(zhì)量分別為1.25kg、2.5kg以及5kg，并分別在300m3/h和600m3/h的條件下進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 300m3/h時(shí)管狀式反應(yīng)器的測試數(shù)據(jù)

圖7 600m3/h時(shí)管狀式反應(yīng)器的測試數(shù)據(jù)

由圖6可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量在300m3/h時(shí)，氧化劑用量為1.25kg、2.5kg以及5kg時(shí)，氣密室內(nèi)甲醛濃度降至國標(biāo)（0.1mg/m3）用時(shí)分別為70min、55min以及30min；由圖7可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量在600m3/h時(shí)，氧化劑用量為1.25kg、2.5kg以及5kg時(shí)，氣密室內(nèi)甲醛濃度降至國標(biāo)（0.1mg/m3）用時(shí)分別為55min、50min以及20min。

由于目前氧化劑一次通過率的測試通常選用固定床反應(yīng)器，這種測試手段應(yīng)用的特點(diǎn)是污染物濃度高，氧化劑用量少，反應(yīng)空速大，但是卻無法反映實(shí)際生活中的應(yīng)用場景，因此使用環(huán)境艙檢測法更為貼合實(shí)際。故本文選擇環(huán)境艙檢測法進(jìn)行分析研究。

通過對氣密室內(nèi)甲醛的濃度列質(zhì)量守恒方程可得[19]：

式中：為艙內(nèi)污染物實(shí)時(shí)濃度，mg/m3；為模擬艙容積，m3；為時(shí)間，min；為循環(huán)流量，m3/min；k、k為有反應(yīng)器、無反應(yīng)器時(shí)的總衰減和自然衰減常數(shù)，min-1；為一次通過效率。

經(jīng)過兩次自然衰減測試取平均值可得k=0.00415，而k的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 管狀式反應(yīng)器ke測試結(jié)果

根據(jù)上述測試與計(jì)算結(jié)果可知，在各氧化劑用量下，雖然風(fēng)機(jī)風(fēng)量為600m3/h時(shí)降解速度更快，但一次通過率卻小于300m3/h的計(jì)算結(jié)果，造成該現(xiàn)象的主要原因是房間內(nèi)氣流循環(huán)次數(shù)加大，提升了降解速率，與此同時(shí)污染物在氧化劑表面的滯留時(shí)間變短，氧化劑的性能下降，因此在室內(nèi)空間中風(fēng)量為300m3/h時(shí)則能夠更好發(fā)揮氧化劑的性能。故風(fēng)量選擇為300m3/h。

3.3 管狀式空氣凈化器的凈化效能

根據(jù)規(guī)范可知凈化器的凈化效能分級見表2，空氣凈化器的凈化效能為[20]：

式中：為凈化效能，m3/(W·h)；為潔凈空氣量，mg/m3；為輸入功率，W；

表2 凈化器對氣態(tài)污染物的凈化效能分級

利用公式（1）計(jì)算在300m3/h時(shí)管狀式反應(yīng)器的凈化效能，如表3所示。

表3 改裝空氣凈化器的凈化效能

由表3可知氧化劑的用量在1.25kg時(shí)的凈化效能等級已達(dá)到合格級，在2.5kg以上時(shí)達(dá)到了高效級。由于受測試條件所限，選用的風(fēng)機(jī)能耗較高造成了凈化效能等級的下降，若采用目前常見的直流變頻風(fēng)機(jī)則可以保證在不影響凈化效果的同時(shí)大幅提高凈化能效等級。

3.4 板式反應(yīng)器的測試數(shù)據(jù)與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇活性氧化鋁作為氧化劑的載體，并用板式反應(yīng)器測試其壽命，其尺寸為160mm ×90mm×17mm，通過測量可知板式反應(yīng)器的氧化劑裝填量為30g，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為25m3/h；測試終止指標(biāo)為氧化劑的內(nèi)部全部變色。初始總衰減系數(shù)的測試如表4。

表4 初始總衰減系數(shù)

根據(jù)上述三組數(shù)據(jù)平均后可得，初始總衰減系數(shù)為k0=0.167。

選擇30g的新氧化劑進(jìn)行壽命測試，經(jīng)過12次高濃度測試后，氧化劑內(nèi)部的紫色全部消失，此時(shí)甲醛測試的總衰減系數(shù)為k=0.0284，降至初始值的17%，至此氧化劑共計(jì)去除甲醛180mg。

根據(jù)上述反應(yīng)方程式可知甲醛的理論最大去除量約為427mg，但是在實(shí)際中由于高錳酸鉀的強(qiáng)氧化性會與空氣中的某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被消耗，因而甲醛的實(shí)際去除量僅為理論值的42%，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物MnO2對甲醛也具備一定的催化氧化功能。因此高錳酸鉀氧化鋁球具有高效去除甲醛的能力。

4 結(jié)論

根據(jù)上述各實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析研究可得如下結(jié)論：

（1）氧化劑載體選擇活性氧化鋁時(shí)，高錳酸鉀去除甲醛的的效果明顯，且優(yōu)于5?分子篩與膨脹珍珠巖，故之后的氧化劑載體均選用活性氧化鋁；

（2）風(fēng)機(jī)風(fēng)量為300m3/h時(shí)從計(jì)算所得的一次通過率更大，此時(shí)氧化劑的性能更優(yōu)，但是風(fēng)量在600m3/h時(shí)甲醛的降解速度較快，其主要原因是房間內(nèi)氣流循環(huán)次數(shù)加大，提升了降解速率；

（3）風(fēng)量設(shè)定為300m3/h，當(dāng)氧化劑用量在1.25kg時(shí)，管狀式反應(yīng)器的凈化效能為合格級，當(dāng)氧化劑用量在2.5kg以上時(shí)凈化效能達(dá)到高效級；且若采用直流變頻風(fēng)機(jī)則可以不影響凈化效果的同時(shí)大幅提高凈化能效等級；

（4）選用板式反應(yīng)器測試30g新氧化劑壽命，經(jīng)過12次高濃度測試后，氧化劑內(nèi)部的紫色全部消失，總衰減系數(shù)降至初始值的17%，至此氧化劑共計(jì)去除甲醛180mg，去除量為理論值的42%，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)可知反應(yīng)產(chǎn)物MnO2對甲醛也具備一定的催化氧化功能，因此高錳酸鉀氧化鋁球具有高效去除甲醛的能力。

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Application of Air Purifier Containing Potassium Permanganate Oxidant to Remove Formaldehyde

Jiang Hao1Di Yuhui1Wen Li1Chen Ye2Niu Like3

(1.Xi'an Polytechnic University, School of urban planning and municipal engineering, Xi'an, 710048; 2.Xi'an Chuangjie Environmental Technology Co., Ltd, Xi'an, 710065; 3.Yantai Baoyuan purification Co., Ltd, Yantai, 264003)

The effects ofoxidation of gaseous formaldehyde with potassium permanganate oxidants with different kinds of carriers were investigated in a tubular reactor. It was tested in a plate reactor which was the accumulative amount of formaldehyde removal by oxidant. The experimental results showed that the oxidation of formaldehyde by potassium permanganate is the best when the carrier is active alumina. And the cumulative removal of formaldehyde is 42% of the theoretical value. The oxidants with three dosage in tubular reactor were tested. The primary pass rate of formaldehyde was 21.88% to 69.33% when air volume was 300m3/h. The purification efficiency of the tubular reactor is within the qualification level when theamount of the oxidant is 1.25kg. The purification efficiency of the tubular reactor is in the high efficiency level when theamount of the oxidant is above 2.5kg. By comparing and analyzing the primary pass rate of formaldehyde at 300m3/h and 600m3/h, it can be seen that the oxidant has higher performance when the air volume is 300m3/h.

Potassium permanganate; Formaldehyde; Oxidation; Primary pass rate; Purification efficiency

1671-6612（2019）01-011-5

X511

A

西安市城市公路隧道空氣污染物濃度分布及通風(fēng)方式研究2017074CG/RC037（XAGC012）

蔣 昊（1992.02-），男，在讀碩士研究生，E-mail：378943894@qq.com

狄育慧（1964.02-），女，博士，教授，E-mail：470836165@qq.com

2018-04-28