基于凹土吸附性能的空氣凈化產品開發設計與研究

趙艷梅 張 婷 （淮陰工學院 223001）

基于凹土吸附性能的空氣凈化產品開發設計與研究

趙艷梅 張 婷 （淮陰工學院 223001）

本文旨在通過對凹凸棒石黏土材料吸附性能的研究，了解改性凹凸棒石黏土吸附性能及制備工藝，綜述其可應用的領域，研究其對空氣中有害氣體的凈化效果，進而探索其在空氣凈化產品設計中應用的可行性，以充分開發和利用地方特色資源助力治霾，并提出產品開發設計的思路。

凹土；吸附性能；改性；凈化

一、 凹土資源及研究現狀

“凹凸棒石黏土”又被稱為“凹土”，是一種稀有的非金屬礦產資源。凹土材料性能豐富、穩定性好，被廣泛應用在石油、化工、建材、采礦、食品、造紙、印染和環保等多領域中，因此具有“千面用土”、“千土之王”的美稱。我國凹土儲量豐富，江蘇盱眙地區凹土儲量占據世界凹土儲量的49%。近幾年來國家普及新能源戰略的實施，使更多有關凹土的先進科研技術被研發，但目前凹土材料在我國的應用還處于初級階段，依然停留在轉化率較低的“原料級產品”層面。凹土具有優良的吸附性能，能夠吸收空氣中的甲醛等有害物質，并且結構穩定、綠色環保。近幾年，消費者越來越注重空氣質量問題，這也促使空氣凈化產品進入發展的黃金時期。目前市場上出現的空氣凈化產品存在吸附性能單一、吸附物游離、難以回收利用等問題。因此，基于凹土優良的吸附性能的空氣凈化產品的研究開發顯得尤為迫切。

凹土資源的合理開發與高值化利用成為新的熱門研究領域，先后成了了凹土材料研究重點實驗室、研究所等，凹土基吸附劑和催化劑的開發是使凹土得到高值化利用的重要方式。目前越來越多的研究將凹土材料應用于大氣治理領域，提出凹土基脫硫催化劑的應用研究，這將為凹土資源的高附加值的利用及產業化發展奠定基礎。天然凹土本身具有一定的吸附能力，但是其吸附容量有限，因此可以考慮利用凹土的富鎂鋁硅鹽特性，將其深加工為優良的吸附材料分子篩的方法來實現凹土的高值化利用。

二、 凹土材料性質與吸附領域應用

凹土是一種非金屬黏土礦物，結構獨特、吸附性能優異，被廣泛應用于各相關領域。凹凸棒土原材料價格低廉，它是一種重要的礦產資源，同時也是一種不可再生資源，因此如何更好的利用凹土材料，提高材料的應用價值，實現高附加值產品，避免資源浪費，成為重要的研究課題和發展方向。此外，進一步拓展凹土應用范圍也十分重要，要基于其傳統適用行業如化工、材料、造紙、水處理等，盡快推廣至以通信、生物醫藥、航空航天、新材料和新能源生產與存儲為代表的高新技術產業中。

凹土是一種具有層鏈狀晶體結構及纖維狀、棒狀晶體形態的天然含水富鎂硅酸鹽粘土礦物。因特殊晶體結構使其展現了多種特殊的物理、化學和工藝性能。凹土的基本特性包括幾點：第一，特殊的電荷分布。由于表面 Si?O、Al?O和Mg?O 斷鍵產生的 R?OH 上的具有酸堿兩性的羥基（OH?）， 在不同pH環境中凹土可以分別做陰離子和陽離子吸附劑。特殊的電荷分布還使凹土具有優良的膠體特性和水懸浮性質，使其還可以可應用于油田循環鉆井泥漿、懸浮劑、合成印花糊料、涂料添加劑和觸變劑等；第二，較大的比表面積。據報道凹土的比表面積可以達到150～210 m2/g，而經過改性處理后甚至可高達423 m2/g。；在水處理應用中，凹土能夠吸附多種重金屬離子（如：Pb2+、Cd2+和Cr3+等）、放射性金屬離子（鈾和錒系元素等）、染料（包括陽離子染料和陰離子等染料）、酚類物質等；第三，豐富的孔道結構。凹土棒晶擁有豐富納米尺寸的孔道，這些孔道結構可以同時進行物理吸附和化學吸附。，該特性使凹土具有一定的催化性能，而且也可以作為優良的催化劑載體。由以上介紹可知，由于天然的鏈層狀晶體結構，凹土具有突出的吸附、流體、納米結構等物化屬性。其中優異的吸附性能，是國內外學者的關注和研究重點。

天然凹土本直接應用于吸附領域，還具有一定的局限性。因此，為了增強凹土的實際使用效果，需要對其進行適當的改性處理。常用的改性方法可大致分為酸活化、熱處理和有機改性處理等。酸化理可溶解凹土晶體中部分四面體和八面體結構凹凸棒土內部四面體與八面體結構部分溶解，洗去凹土微納米孔道中的雜質，可疏通孔道和增加孔數目，達到比表面積增大的目的。同時酸化處理還可改變水溶液中凹土結構電荷和表面電荷，增強其吸附性能。熱處理則不僅可以去除凹土中表面吸附水、孔道吸附水和結晶水，還能夠分解凹土內部分礦物質和有機物質，從而使其變得多孔疏松，提高比表面積和孔隙容積，提高吸附能力。有機改性也可改善凹土表面結構，有效提高其吸附性能。

大量報道表明改性后的凹土具有吸附效率高、平衡時間短和吸附劑能夠反復利用等優點，這為凹土的實際應用提供了有利的技術支撐。但是部分改性措施會造成二次污染，且增大了凹土使用和再生的成本。因此合適的改性措施和有效的再生方法是目前研究的關鍵。

三、 凹土在空氣凈化產品中的應用研究

隨著國內霧霾的出現及給人們帶來的種種問題，治霾成為亟待解決的問題，各類空氣凈化產品層出不窮，目前市場上的空氣凈化產品所采用的凈化技術種類豐富，主要有活性炭吸附技術、負氧離子技術、活性氧技術、靜電集塵技術、低溫非對稱等離子體空氣凈化技術、分子絡合技術、光觸媒催化分解技術以及HEPA高效過濾技術等，對于空氣中的污染物質基本可以凈化，但是都存在一定程度的缺陷 ，如在凈化空氣的同時，會將吸附的無毒物質分解成對人體有危害的有毒物質，對人體造成傷害；另外為防止濾網飽和，需要定期的更換濾網，維護的成本較高。基于此類空氣凈化產品中的弊端，凹土材料的純天然、可回收再利用的性質顯得尤為珍貴。

將凹土材料應用于空氣凈化產品中，延續了“凹土治霾”科技的發展，對其空氣凈化功能進行創新性利用，開發設計能適應不同環境的空氣凈化產品，同時提升空氣凈化產品外觀造型的美感，使產品適用于家庭、辦公、醫療、工業等不同環境，滿足孕婦、兒童等特殊群體或普通消費者對純凈無污染的室內空氣環境的需求。針對江蘇盱眙凹土這種特有的稀缺非金屬資源，結合其優良的吸附、凈化功能和先進科研技術，進行產業化思路研究，實現具有地方特色資源的高附加值產品開發，降低產品成本，節約資源，為企業和地區發展考慮，帶動整個江蘇盱眙地區凹土產業鏈的發展，實現真正的綠色環保。

將凹土材料應用于空氣凈化產品中，運用創新性的設計方法，不斷的尋找實現凹土最大吸附性能的方法，提高資源的利用率，減少產品成本，基于凹土改性后吸附性能的提高和可再生的特性。在空氣凈化產品設計中，我們研究了兩種應用方式，第一種是將凹土做成吸附劑面板（如圖1），經過除塵器處理的臟空氣，再經過凹土吸附劑的過濾，將空氣中有害氣體吸附，為用戶輸送健康綠色的空氣。同時在設計中將吸附劑作為空氣凈化器內可拆卸的獨立結構，方便定期更換，保證空氣凈化的效果。更換的凹土吸附劑面板經過處理后可重新再生利用。第二種是將經過酸化處理的凹土做成集塵濾網（如圖2），通過三層濾網的處理，可將空氣中絕大部分的有害氣體和灰塵凈化，進而達到凈化空氣的效果。在設計中，將濾網集合為一個可拆卸的濾芯結構，方便整機的安裝和后期更換，方便用戶使用，濾網的凈化效率有待進一步的實驗驗證。

圖1

圖2

趙艷梅，講師，單位：淮陰工學院，研究方向：工業設計。

張婷，學生，本科在讀，單位：淮陰工學院，研究方向：工業設計。