活性炭等吸附性材料对甲醛吸附能力的测试方法探讨.docx

活性炭等吸附性材料对甲醛吸附能力的测试方法探讨柳敏 刘朝军（浙江朝晖过滤技术股份有限公司 浙江 314511）摘要：采用自主搭建的1m3环境试验舱测试了活性炭等吸附材料对甲醛的吸附能力，并通过多次试验对测试过程中的实验条件进行了优化，初步建立了一种测试活性炭对甲醛气体去除率和饱和吸附量的方法。与已有文献相比，该方法操作方便，重现性好，可得到较为可靠的结果。关键词：甲醛；活性炭；环境试验舱；去除率；饱和吸附量室内空气质量的优劣直接影响人体的健康。随着人们环保意识的增强，空气净化器应运而生。目前市面上大多数空气净化器主要采用颗粒活性炭、活性炭纤维毡、蜂窝状活性炭过滤网、活性炭瓦楞纸过滤网等吸附性材料的物理吸附来去除甲醛等室内有害气体污染物，材料的吸附性能直接决定着空气净化器对有害气体污染物的去除能力1。但是，现阶段我国缺乏针对室内装修污染净化的活性炭等材料的净化性能检测标准，测试这些材料对甲醛吸附能力的方法也相对较少，且测定方法也不完善2-4。本文参考已有文献方法，以颗粒活性炭为吸附剂，甲醛为吸附质，通过多次试验尝试与验证，初步建立了一种活性炭等吸附性材料对甲醛气体吸附能力的测试方法，该方法操作方便，重现性好，可得到较为可靠的结果。1 实验条件1.1 环境试验舱自制玻璃环境试验舱：有机玻璃材质；容积，1m3（1m1m1m）；舱门在试验舱正面，大小0.36m0.66m，舱门上设置一双操作手套；试验舱相对的两个侧面各设置一个采样孔；试验舱体内表面光滑，所有连接处均经过密封处理，试验舱的漏气率小于0.05m3/h，符合QB/T 2761-20065附录A中空气试验舱的要求；附加设备：循环风扇；加热套，用作甲醛气体发生器；净化风机；活性炭盛放过滤网（290 mm290mm）。1.2 实验仪器与试剂实验仪器：QCS-3000型双气路大气采样器（上海精密仪器仪表有限公司）；721型可见光分光光度计（上海精密仪器仪表有限公司）；大型气泡吸收管（10mL）；多孔玻板采样管（50mL）；温湿度表；微量进样器。试剂及样品：甲醛溶液，AR，37.040.0%；酚试剂，AR；硫酸铁铵，AR；乙酸，AR；乙酸铵，AR；乙酰丙酮，AR；煤质颗粒活性炭，碘吸附值900mg/g。作者简介：柳敏（1985-），男，硕士，浙江朝晖过滤技术股份有限公司，研发工程师，主要从事化学过滤器研发。E-mail: 3803581832 实验方法2.1 实验步骤称取一定量的颗粒活性炭，于105下干燥1h，干燥冷却后取50g平铺在过滤网内，并用自封袋密封。注一定量的甲醛溶液于加热套中的蒸发皿上，立即将舱门密封。打开循环风扇与加热套的加热开关，待甲醛溶液蒸发完后关闭加热套，平衡一定时间后，关闭循环风扇，采集舱内气体并测试其浓度，此浓度为初始浓度。打开自封袋，取出活性炭过滤网，并将其放在净化风机进风口，同时开启循环风扇和净化风机，分别在1.0h，2.0h，3.0h，4.0h后采集舱内气体并测试其浓度。2.2 甲醛测试方法低浓度甲醛气体（1.0mg/m3以下）：依据GB/T18204.26-2000公共场所中甲醛的测定方法6检测；高浓度甲醛气体（1.0mg/m3以上）依据GB/T 15516-1995空气质量甲醛的测定乙酰丙酮分光光度法7检测。2.3 甲醛吸附能力评价方法评价活性炭吸附能力的重要指标包括活性炭对甲醛的去除率和饱和吸附量。用活性炭吸附一段时间后，舱内甲醛被去除的相对量来表示活性炭对甲醛的去除率： （式1）式中：舱内甲醛的初始浓度，mg/m3； t时间后舱内甲醛的浓度，mg/m3；由于甲醛自身的分解、附着、舱内壁吸附及泄露等因素会引起甲醛的自然衰减，在计算甲醛去除率时必须考虑自然衰减，扣除自然衰减率Rt，计算式为： （式2）式中：未加活性炭时，舱内甲醛的初始浓度，mg/m3； 未加活性炭时，t时间后舱内甲醛的浓度，mg/m3；活性炭对甲醛的饱和吸附量Q用单位质量的活性炭吸附达到饱和时所吸附甲醛的质量来表示。可设计如下实验：在相同的实验条件下，重复多次吸附平衡实验，直至活性炭吸附饱和，即舱内甲醛去除率接近自然衰减率，并根据下式计算： （式3）式中：第i次吸附过程中舱内甲醛的初始浓度，mg/m3； 第i次吸附过程中舱内甲醛的吸附平衡浓度，mg/m3； R自然衰减率，%；V环境试验舱容积，m3；m活性炭的质量，g；吸附平衡时间越短及去除率越大，说明活性炭的吸附速率越快；活性炭的饱和吸附量越大，说明吸附能力越强。 3 结果与讨论3.1 甲醛初始浓度的确定在其他条件相同的情况下，活性炭等材料对甲醛气体的去除率与甲醛气体的初始浓度有关。高浓度时吸附时间短，去除率大；低浓度时，吸附时间长，去除率小；因此，在检测中需要确定一个合理的甲醛初始浓度。现行的国家标准中并没有明确规定， GB/T 188832002室内空气质量标准8中的甲醛限定值为0.1mg/m3，GB/T 18801-2008空气净化器9中检测空气净化器气态污染物净化效能时，将气体的初始浓度设为GB/T 188832002中规定的限定值的10倍，即对甲醛气体设为1.0mg/m3。但是在低浓度条件下活性炭对甲醛气体的吸附速率很慢，吸附平衡时间较长，表1是低浓度条件下，不同时间活性炭对甲醛的去除率。从表1中可以看出，吸附24h后活性炭仍未达到吸附平衡。测试时间增长，自然衰减率将增大，无法准确确定吸附平衡点。为了缩短吸附平衡时间，增加实验的可操作性，将甲醛气体的初始浓度设为10 mg/m3。表1 不同吸附时间下活性炭对甲醛的去除率吸附时间（h）甲醛浓度（mg/m3）去除率（%）00.98410.73325.520.58940.130.45753.660.38461.090.33765.7240.28571.0480.17582.23. 2甲醛溶液加入量的确定甲醛的初始浓度与甲醛溶液加入量、平衡时间、环境温湿度、试验舱体积等多种因素有关。实验以1m3环境舱为例，设定平衡时间为10min，在其它条件相同的情况下改变甲醛溶液加入量，得到不同的甲醛初始浓度，如表2所示；从表中可以看出，甲醛溶液加入量为50L时，舱内甲醛气体浓度在10 mg/m3左右。在甲醛溶液加入量为50L时，不同温湿度下测得的甲醛初始浓度如表3所示；从表中可以看出，在室温条件下，舱内甲醛初始浓度的偏差不超过20%，可以忽略温湿度对甲醛初始浓度的影响。因此，将甲醛溶液的加入量确定为50L。表2 不同甲醛溶液加入量下甲醛的初始浓度甲醛溶液加入量（L）甲醛初始浓度（mg/m3）50.878101.753205.7675010.18110021.446表3 不同温湿度下甲醛的初始浓度温度（）湿度（%）甲醛初始浓度（mg/m3）10449.189123011.134183810.324204210.181243011.5323.3 甲醛气体自然衰减率的确定在环境试验舱内由于自然发生的沉降、附集、表面沉积、分解和泄露等现象，会导致试验舱内甲醛浓度降低，即自然衰减，在评价材料吸附性能时必须要扣除自然衰减率。因此，环境舱在投入使用前要进行自然衰减情况考察，确定自然衰减率。具体的实验考察方法同材料的测试实验步骤，唯一不同的是不加入吸附材料。在室温下，甲醛溶液加入量为50L，通过多次平行实验，对试验舱内甲醛气体的自然衰减情况进行考察，4h内的自然衰减率如表4所示。每次实验时因为甲醛初始浓度是一个波动值（10.0 mg/m3左右），导致在相同的实验条件下自然衰减率有差异，但是从表中看出，同一时间内不同实验的R值相差不到1%，可近似认为R是一个定值， 为了后续实验的方便计算，取甲醛初始浓度为10.181 mg/m3时的自然衰减率为环境舱中甲醛气体的衰减率，即1h自然衰减率为4.81%，2h自然衰减率为7.26%，3h自然衰减率为9.96%，4h自然衰减率为12.21%。表4 甲醛自然衰减实验甲醛初始浓度（mg/m3）R1R2R3R49.1894.567.249.1511.879.9054.897.209.1211.909.9434.917.689.5612.0710.1814.817.269.9612.2110.9775.017.5310.1112.333.4 平衡吸附时间和吸附次数的确定在达到平衡吸附之前，活性炭对甲醛气体的去除率随时间的延长而增大；达到平衡吸附之后，去除率将保持不变；因此，在给出活性炭对甲醛气体的去除率时必须给出吸附时间，严格地说，是平衡吸附时间。去除率还与活性炭的使用量有关，单凭去除率这一参数还不能准确地评价活性炭的吸附能力，还需要活性炭的饱和吸附量。测试饱和吸附量时，必须要保证活性炭已吸附饱和，即不再吸附甲醛气体，实验中通过确定吸附次数来保证这一点。3.4.1 平衡吸附时间本文通过多次平行吸附实验来探究活性炭对甲醛的吸附特性，实验发现在每次吸附过程中甲醛浓度随时间的延长的总体趋势都是降低的，选取其中5次实验数据进行分析，如表5。从表5可以看出， 吸附1h后，活性炭对甲醛的去除率已达到80%以上，即1h内甲醛吸附速率很大； 1h3h内甲醛的去除率增加10%左右，表明甲醛吸附速率变慢；5个实验中，3h4h内甲醛的去除率增加量很小，与该时间段内的自然衰减率相当，即该时间段内甲醛没有被吸附，可认为3h时甲醛已达到吸附平衡。结论：吸附3h后，活性炭吸附已经达到平衡，可设计每次吸附过程活性炭的吸附平衡时间为3h。表5 不同吸附时间时活性炭对甲醛的去除率甲醛初始浓度（mg/m3）0h1h2h3h4h9.280080.4987.6089.4390.019.865080.7889.2490.2890.499.748082.6288.3590.0789.9410.081082.5090.7192.3492.4710.497083.8490.6492.78 吸附次数对同一份活性炭进行重复吸附实验，每次吸附时间为3h，实验结果如表6。第一次吸附时甲醛的去除率高达92.01%，六次吸附后甲醛的去除率为25.17%，第七次吸附平衡后甲醛的去除率只有11.86%，与舱内甲醛3h自然衰减率相当，即实际上第七次实验时活性炭对甲醛已经没有吸附能力，六次吸附后活性炭已经达到吸附饱和，根据式3计算该活性炭的饱和吸附量为632g/g。4 结论本文采用自搭建的1m3环境试验舱考察了活性炭对甲醛的吸附性能，初步建立了一种活性炭等吸附性材料对甲醛气体吸附能力的测试方法。通过优化实验，确定了最佳实验条件：舱内甲醛气体的初始浓度为10mg/m3，对应的甲醛溶液加入量为50L，活性炭吸附平衡时间为3h，重复吸附6次活性炭达到饱和。按照该方法测得实验所用的颗粒活性炭的饱和吸附量为632g/g，3h对甲醛气体的去除率达90%以上。该方法操作方便，重现性好，可得到较为可靠的结果。表6 不同吸附次数时活性炭对甲醛的去除率吸附时间（h）甲醛浓度（mg/m3）去除率（%）第一次吸附010.125030.80992.01第二次吸附010.165031.97980.53第三次吸附09.879032.28576.87第四次吸附010.345034.73054.28第五次吸附010.856036.48240.29第六次吸附010.625037.95125.17第七次吸附010.987039.68411.86参考文献1 元玉栋. 空调系统与室内空气品质J. 环境与健康杂志, 2006, 23(4): 380-382.2 何中凯, 张寅平. 一种测量吸附剂甲醛吸附性能的新方法J. 中国工程热物理学会学术会议论文, 083484.3 胡刘平, 莫开林, 杨凌等. 活性炭对甲醛吸附