多離子水對空氣中苯系物的去除效果研究

黃　熠　姜瑞霞　蔡曼曼　唐小惠

（上海心動能科技有限公司上海200070）

多離子水對空氣中苯系物的去除效果研究

黃熠姜瑞霞蔡曼曼唐小惠

（上海心動能科技有限公司上海200070）

利用多離子水技術對室內及車內空氣中苯系污染物進行去除效果研究，比較不同濃度多離子水對苯系物的去除效率，同時探討多離子水與苯的反應機理，為多離子水技術在室內、車內空氣凈化及工業含苯廢氣處理中的應用奠定基礎。

多離子水；苯系物；去除；空氣凈化

1　前言

新房裝修以及汽車生產中使用的油漆、涂料、膠黏劑以及各種有機溶劑等均含有大量的苯系物。苯系物含量超過一定濃度時，可對人體造成極大傷害。但由于苯系物不溶于水，苯環大π鍵結構穩定，化學性質不活潑，在新車及新房中難以去除。近年來，對于光催化氧化技術處理揮發性有機污染物進行了一系列研究，發現其在可見光下對苯表現出較高的光催化降解活性［1-6］。但由于室內及車內光催化所需要的光不足，致使光催化的效果很低，遠不能滿足室內及車內空氣凈化去除苯系物的實際需求。

自20世紀90年代末，功能性離子產業便逐漸在日本興起，并成為繼光催化、納米技術等熱門技術之后，日本的又一新興經濟成長點，并廣泛用于健康、環境、能源、生物工程、建筑、紡織等各方面［7］。2002年，金宗哲教授［8-9］研發出有機-無機螯合技術，能夠使大量處于不溶于水狀態的礦物質離子穩定存在于水溶液體系中，并在此基礎上研制出具有較高能量和生物活性的多離子水。

本文以多離子水為實驗對象，以苯系污染物（苯、甲苯、二甲苯）為污染源，探索多離子水對苯系污染源的去除效果，分析其反應機理，此研究將為功能性離子產業的發展提供新的思路，并且為空氣凈化行業提供高新技術支持。

2　實驗部分

2.1實驗材料及儀器

標準氣體：苯（34.5mg/m3），甲苯（1.1mg/m3），二甲苯（1.5mg/m3）

集氣袋（FEP膜，PP雙閥門，5L）

采用GC-MS（TraceDSQ，美國熱電公司）對實驗氣體進行定量分析；采用JENCO-6250氧化還原電位儀測定多離子水的ORP值。

2.2多離子水制備工藝

稱取一定量的硅灰石超細粉末（包含Si 6%、Mg0.3%、M n0. 2%、Fe0.4%、Ca8.5%）溶于去離子水中，并加入氧化鍺，在常溫下反應3~5h，硅灰石和氧化鍺摩爾比為1000：1，經過濾后得到溶液A；將摩爾比為1：1的四異丙氧基鈦和正硅酸甲酯混合后加入去離子水中，于45℃~50℃下攪拌1~1.5h，然后加入檸檬酸鈉和乙二胺四乙酸鉀溶液，其中正硅酸甲酯、檸檬酸鈉和乙二胺四乙酸鉀的摩爾比為1：5：10，得到溶液B；將溶液A和溶液B混合后，邊攪拌邊逐滴加入碳酸氫鈉和氫氧化鉀混合溶液，使最終產品中的鈉離子和鉀離子濃度達到預定值，制得多離子水。

經測定，多離子水在常溫下的氧化還原電位為-120m V以下。

2.3實驗步驟

2.3.1多離子水對苯、甲苯和二甲苯的去除效果

（1）多離子水與去離子水質量比為1：5

打開流量計開關2s，通入苯系物（苯、甲苯或二甲苯）的標準氣體，排除氣管和流量計中的空氣干擾，然后，再以1.5L/min向5L的集氣袋中通入3min苯系物的標準氣體。

然后用注射器分別將100mL質量比為1：5的多離子水溶液注入4個5L的集氣袋中，得到4個裝有多離子水溶液和實驗氣體的集氣袋。

在等待5min、30min、90min和180min后，分別從集氣袋1-4中以200mL/min的流量將氣體吸附到吸附柱上，吸附時間為20min。吸附后，用GC-MS測定氣體中苯系物濃度，研究苯系物的濃度變化趨勢。

（2）多離子水與去離子水質量比為1：10和1：15

采用多離子水與去離子水質量比分別為1：10和1：15的多離子水溶液，其他條件不變，重復上述實驗。分別等待5min，30min，90min，180min后，以200mL/min的流量將實驗氣體吸附到吸附柱上，吸附時間為20min。用GC-MS測定其中苯系物的濃度，研究苯系物的濃度變化趨勢。

2.3.2多離子水與苯反應機理研究

取兩只5L集氣袋，分別通入4.5L的苯標氣，其中一只裝入60mL的去離子水，另一只裝入60mL質量比為1：15的多離子水溶液。反應30min后，用吹掃捕集/氣相色譜-質譜法測定集氣袋中多離子水和去離子水內的苯含量，同時用兩組TenaxTA吸附柱對氣袋中氣體進行采樣，吸附時間20min，采用氣相色譜法測定氣體中剩余苯含量。

圖1　不同濃度多離子水溶液對苯的去除效果對比

圖2　不同濃度多離子水溶液對甲苯的去除效果對比

3　結果與討論

3.1多離子水對苯的去除效果

如圖1所示，初始苯濃度為20.53mg/m3。從時間尺度上看，用多離子水溶液處理5min后，三種濃度均有較好的處理效果，質量比為1：10的去除速率最高，達到80.90%。當處理時間超過5min后，多離子水溶液對苯的去除速率有所下降。反應3h后，質量比為1：5的多離子水溶液對苯的去除效率為90.75%，質量比為1：10的多離子水溶液對苯的去除效率為91.72%，質量比為1：15的多離子水溶液對苯的去除效率為94.64%。

3.2多離子水對甲苯的去除效果

如圖2所示，甲苯的初始濃度為1.5mg/m3，用多離子溶液水處理5min后達到一定的處理效果，其中質量比為1：5的多離子水溶液對甲苯的去除效率最為明顯，處理5min即可達到54%的去除效率。隨著反應時間的延長，處理效果變化趨勢基本一致。反應3h后，質量比為1：5的多離子水溶液對甲苯的去除效率最高，達到60%，質量比為1：10的多離子水溶液對甲苯的去除效率為20.67%，質量比為1：15的多離子水溶液對甲苯的去除效率為19.33%。

3.3多離子水對二甲苯的去除效果

如圖3所示，二甲苯的初始濃度為1.7mg/m3，用多離子水溶液處理5min后就能達到良好的處理效果。當處理時間超過5min，不同濃度多離子水溶液對二甲苯的去除速率有所降低。反應3h后，質量比為1：15的多離子水溶液對二甲苯的去除效率最高，為84.7%，質量比為1：5的多離子水溶液對二甲苯的去除效率為74.1%，質量

比為1：10的多離子水溶液對二甲苯的去除效率為80.59%。

圖3　多離子水溶液對二甲苯的去除效果圖

3.4多離子水與苯反應機理研究

表1　多離子水和去離子水與苯反應前后氣液相中苯含量

由表1可知，經過多離子水溶液處理30min后，苯從初始濃度20.53mg/m3下降到4.81mg/m3，去除效率達76.6%，而多離子水液相中并未檢測到苯或苯系物；在與去離子水的對比試驗中，經過去離子水處理30min后，氣相中苯從初始濃度20.53mg/m3僅下降到20.34mg/m3，苯的濃度幾乎沒有任何變化，去離子水中也未檢測到苯。由此推斷多離子水對苯不是單純的物理吸收或溶解，而是使苯環斷裂，將苯轉化成另外的成分，從而達到去除效果。

4　結語

4.1本實驗測試了不同濃度的多離子水溶液對三種苯系物的去除效果。對苯而言，多離子水處理5min后，具有優良的去除效果。質量比為1：15的多離子水溶液對苯的去除效率最高，去除率為94.64%。對甲苯而言，不同濃度的多離子水去除趨勢相同，相對于質量比為1：10和1：15的多離子水溶液而言，質量比為1：5的多離子水溶液去除效果最佳，為60%。對二甲苯而言，前5min二甲苯去除速率最大，并隨時間延長而減緩，最佳質量比為1：15，去除效果為84.7%。

4.2多離子水與苯反應機理的研究表明，多離子水對氣相中的苯具有優良的去除效果，但在液相中并未檢測出苯或苯系物。由此推測，多離子水對苯不是單純的物理吸收或溶解，而是使苯環斷裂，將苯轉化成另外的成分，從而達到去除效果。

［1］陳旬，王緒緒，付賢智.芳烴污染空氣光催化凈化材料研究進展與展望.中國材料進展，2010，29（1）：10-19.

［2］陳江耀，張德林，李建軍.光催化與生物技術聯用工藝處理油漆廢氣中試研究.環境工程學報，2010，4（6）：1389-1393.

［3］劉洋，尚靜，王忠.TiO2納米粒子光催化降解室內揮發性有機污染物苯的研究.環境污染治理技術與設備，2006，7（10）：43-46.

［4］Doueet N，ZahraaO，BouehyM.Kineties of the Photoeatalytic degradation of benzene.Catalysis Today，2007（122）：168-177.

［5］張彭義，梁夫艷，陳清，等.低濃度甲苯的氣相光催化降解研究.環境科學，2003，24（6）：54-58.

［6］王賢親，張國亮，張鳳寶，等.空氣中苯系物的TiO2光催化降解研究進展.化學研究與應用，2006，18（4）：344-348.

［7］金宗哲.東亞功能性離子協會與離子行業的發展前景.第六屆功能性紡織品及納米技術研討會論文集，2006：226-227.

［8］金宗哲.健康水的科學.北京：科學技術文獻出版社，2014.

［9］金宗哲，唐小惠，靳保芳，等.多種離子養生液、其制備方法及其用途.中國：CN 102068019 B［P］.2012.