陳一巖，高 銘

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042 ; 2.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

0 前言

近年來，由于室內(nèi)裝修帶來的空氣污染問題和空氣污染造成的負(fù)面案列層出不窮，人們對于甲醛的關(guān)注度逐年提升。例如2018年阿里員工租住的自如的甲醛房事件，人們談甲醛而色變。現(xiàn)在人們對甲醛的危害早已熟知，但對于如何應(yīng)對、解決室內(nèi)污染卻沒有較好的方法[1-4]。

活性炭以其超強的吸附性能應(yīng)用于眾多行業(yè)中，尤其是對甲醛的吸附性能受到眾多研究者的關(guān)注。活性炭的原材料多為煤炭，由于其再生的時效性使得活性炭的競爭優(yōu)勢受到一定的限制。以生物原料加工制成的生物炭正好彌補了此項缺點?，F(xiàn)今生物質(zhì)炭的原生材料類別廣泛，許多皆是廢棄物材料，可以源源不斷地利用，是可再生的能源，而且制作門檻低、耗資少。與活性炭材料相比，生物炭材料的內(nèi)外表面上有更多數(shù)量的孔洞和復(fù)雜的層隙結(jié)構(gòu)，大大增加了與吸附物質(zhì)接觸到的面積，同時表面上還可承載大量的官能團，吸附效果不比活性炭材料差[5-9]。此外，生物炭還可作為土壤改良劑，在環(huán)境與農(nóng)業(yè)方面作為多功能材料被大量使用，廣受國內(nèi)外科研人士的青睞[10]。利用河南地區(qū)農(nóng)作物副產(chǎn)品——玉米芯為原材料，通過高錳酸鉀對其進(jìn)行改性，制成的改性生物質(zhì)炭，既解決了農(nóng)民副產(chǎn)物處理難的問題，又可以對甲醛進(jìn)行高比例的去除；既避免了空氣污染，又解決了室內(nèi)甲醛的困擾，達(dá)到了廢物利用、解決環(huán)境問題的目的。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

采用洛陽地區(qū)的玉米芯作為原料，此玉米芯具有韌性好、耐磨性強、吸水性好等特點。此外，玉米芯具有大量的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，表面含有多種活性基團，可作為較好的吸附材料。實驗儀器與試劑詳情見表1、表2。

表1 實驗儀器詳情

表2 實驗所用試劑

1.2 改性生物炭的制備

1.2.1炭化條件的選擇

溫度分別設(shè)置為550、650、750 ℃，時間設(shè)置為1、1.5、2 h，進(jìn)行控制實驗。在同一溫度下，其他實驗條件均設(shè)置相同，僅改變炭化時間，對玉米芯進(jìn)行炭化處理，通過酚試劑利用分光光度計，來對實驗已完成的不同炭化條件處理過的玉米芯炭進(jìn)行甲醛吸附檢測計算，結(jié)果見表3。

表3 不同炭化處理的材料吸附情況

計算公式如下：

式中：k，甲醛氣體吸收效率，%；A，樣品溶液吸光度；A0，空白溶液的吸光度。

玉米芯通常在炭化過程中受到炭化時間的影響較大，所以炭化條件對于生產(chǎn)的炭化玉米芯的吸附性能具有很大影響。實驗數(shù)據(jù)表明，把玉米芯在650 ℃下炭化90 min，得到的玉米芯炭化材料吸附甲醛的吸附率最高，對生物玉米芯炭大規(guī)模生產(chǎn)具有指向性的作用。

1.2.2改性條件的選擇

將制得的玉米芯炭準(zhǔn)確稱取5份，各5 g，分別放置于200 mL錐形瓶中，分別移取配置好的60 mL KMnO4溶液于錐形瓶中，高錳酸鉀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.5%、3%、4.5%和6%。隨后，室溫振蕩3 h，過濾、干燥，進(jìn)行甲醛吸附實驗。得到的甲醛去除率如圖1所示。

圖1 不同濃度高錳酸鉀改性材料后去除甲醛的效果

結(jié)果表明：采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的高錳酸鉀對玉米芯炭改性處理時，改性玉米芯炭的甲醛吸附量最大，去除甲醛效果最好，可達(dá)88.73%。以下實驗所采用的改性玉米芯炭均采用3%高錳酸鉀處理過的玉米芯炭。

2 吸附性能測試

2.1 測試準(zhǔn)備

稱量5 g的改性玉米芯炭材料(3%高錳酸鉀浸泡)放于瓶底右側(cè)的稱量皿中，瓶底左側(cè)放置甲醛溶液，干燥容器的總體積為8 L。上方用注射器進(jìn)行空氣采樣，在左上方平衡氣壓球平衡氣壓的條件下進(jìn)行實驗。采集注射器內(nèi)的氣體，每間隔20 min對甲醛濃度進(jìn)行檢測。實驗進(jìn)行3次，根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理。實驗裝置見圖2。

圖2 甲醛吸附裝置

實驗準(zhǔn)備過程，確保干燥器內(nèi)甲醛含量<0.01 mg/L，瓶內(nèi)溫度與環(huán)境溫度相差≤5 ℃，符合條件時，實驗可以進(jìn)行。

2.2 實驗條件的確定

量取5組不同體積的標(biāo)準(zhǔn)甲醛溶液(濃度為10 mg/L)，體積分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mL，分別放于5個200 mL的錐形瓶中，再增添適量蒸餾水進(jìn)行稀釋，把移取的甲醛溶液的濃度稀釋到標(biāo)準(zhǔn)甲醛溶液濃度的1/10，將200 mL錐形瓶中的已經(jīng)稀釋過的合適濃度的甲醛溶液放入到上述實驗裝置的盛放甲醛溶液的器皿中，干燥瓶中吸附材料器皿中投放改性玉米芯炭的質(zhì)量為5 g，進(jìn)行甲醛吸附實驗。結(jié)果如圖3所示。

圖3 在初始甲醛濃度不同條件下吸附材料達(dá)到吸附平衡的時間

從圖3可知，起始檢測的初始?xì)鈶B(tài)甲醛濃度與稱取的甲醛溶液濃度成正比，當(dāng)吸附一定時間，隨后干燥器內(nèi)甲醛濃度較快達(dá)到平衡。從節(jié)省藥品用量，減輕環(huán)境污染的目的出發(fā)，最好的實驗過程是起始甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的投入量應(yīng)為0.25 mL，隨后再進(jìn)行蒸餾水的稀釋，最終進(jìn)行甲醛濃度檢測試驗。

2.3 影響因素的確定

2.3.1投加量對甲醛吸附量的影響

在以上實驗裝置中，把0.25 mL稀釋過的甲醛溶液滴于培養(yǎng)皿中的脫脂棉上，稱量皿中分別放入3、4、5、6、7、8 g改性玉米芯炭和未改性的玉米芯炭，進(jìn)行甲醛吸附實驗。投加吸附材料的質(zhì)量、材料不同，會較大影響甲醛吸附的效果。吸附結(jié)果如圖4所示。

圖4 在吸附材料投加量不同條件下對甲醛吸附的影響

圖4中的實驗結(jié)果表明：隨著投加量的增加，材料吸附效果在增大，但增大是有限度的。在改性玉米芯炭材料在投放量為5 g時，吸附值達(dá)到最高峰值，其吸附效果最好，最高峰值時的甲醛吸附量為2.84 mg/g；未改性玉米芯炭生物炭在投放量為6 g時，吸附效果最好為最高峰值，吸附量1.62 mg/g。

2.3.2吸附溫度對甲醛吸附量的影響

把稀釋過的甲醛溶液置于培養(yǎng)皿中，稱量皿中分別放入5 g改性玉米芯炭和未改性的玉米芯炭5 g，分別在溫度為5、10、15、20、25 ℃下進(jìn)行甲醛吸附實驗。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附溫度不同時對吸附材料吸附甲醛的影響

實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明：實驗的溫度對于改性的玉米芯炭吸附甲醛的吸附效率有較大影響，在開始時，吸附量會隨著溫度的升高而變大，因為此時吸附材料的吸附活性較好。等溫度過高時，甲醛吸附的效率反而逐漸下降。改性的玉米芯炭材料在實驗溫度為15 ℃時，達(dá)到了最高峰值，吸附甲醛的效果最高，為2.37 mg/g；未改性玉米芯炭通過實驗在10 ℃時，達(dá)到最高峰值，吸附效果最好，為1.93 mg/g。

2.3.3甲醛初始濃度對吸附量的影響

移取一定體積的甲醛溶液，用適量的蒸餾水進(jìn)行稀釋，得到了6組濃度不同的甲醛初始溶液(每組的質(zhì)量濃度依次是5、10、20、30、40、50 mg/L)，將不同組的甲醛初始溶液放置于溶液皿中，準(zhǔn)確稱取5 g改性玉米芯炭與5 g未改性玉米芯炭分別放入稱量皿里，進(jìn)行甲醛吸附實驗。結(jié)果如圖6所示。

圖6 甲醛初始濃度不同時對吸附材料吸附量的影響

圖6的實驗數(shù)據(jù)表明：在初始濃度不同時，玉米芯炭吸附甲醛的吸附度隨甲醛濃度變化較大，當(dāng)玉米芯炭的固定的吸附量達(dá)到峰值時，吸附速率有所降低。當(dāng)起始的甲醛溶液濃度為5 mg/L時，改性玉米芯炭的吸附量的值為1.37 mg/g，未改性玉米芯炭的吸附量為0.9 mg/g；當(dāng)起始的甲醛溶液濃度為50 mg/L時，改性玉米芯炭的吸附量為2.73 mg/g，未改性玉米芯炭的吸附量為2.18 mg/g。

3 結(jié)論

在制備改性生物炭時，浸漬的高錳酸鉀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，去除效率最高可達(dá)88.73%[8]。根據(jù)吳秋雨[11]的影響面實驗，實驗中不同甲醛的初始濃度對實驗材料吸附甲醛的影響程度最高，而試驗中不同的吸附溫度影響甲醛的程度最少。此次依靠研究的實驗數(shù)據(jù)，最終探索出最合適的降解吸附甲醛的條件：實驗起始甲醛的質(zhì)量濃度為0.3 g/L，環(huán)境溫度為15 ℃，投加改性炭化玉米芯材料量為5 g時，吸附甲醛的效果最好。