活性炭改性對氣相污染物甲醛及氨吸附去除影響的研究

李 強

（大同中車煤化有限公司，山西 大同 037300）

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生活環境的要求也不斷提高，尤其是家居生活環境的要求，隨之而來，市場上出現了各式各樣的家居裝潢材料。隨著裝潢材料品種的增多，裝潢材料添加劑的使用也不斷加大，這無形中給家居室內帶來嚴重的空氣污染。

據不完全統計，當前家居室內污染是室外污染2.5 倍，有些房屋由于建筑格局原因，致使通風不良，使得裝修后污染達到室外100 倍左右。當前人們每天生活在居室內的時間，占總時間的80%以上，由于現代建筑技術、質量越來也高，房屋密封的性能也非常高，使得室內與室外空氣流通受限，有害氣體污染非常嚴重。室內長期存在有害氣體，將會損害長期居住人員的身體健康，會加大人員患病幾率。據統計，幼兒患白血病的70%，是因為所居住環境存在有害氣體的污染，其中最有害的氣體是甲醛與氨氣。

1 甲醛與氨氣對人的危害

1.1 甲醛對人的危害

甲醛是對人最具危害的氣體，世衛組織WHO將其確定為能夠導致人體發生癌變的物質。在化學品種，甲醛是具有一定毒性的物質，在危化品限制名單中排在第二位置。因為各種因素，致使衣物、食品、室內甲醛累積，會使長期接觸的人員受到嚴重傷害[1]。不同濃度的甲醛，會對人體造成不同程度的傷害。當人體接觸的甲醛濃度較低時，對人體損害不嚴重，這時，老年人、小孩、免疫力低的人群會出現身體異樣、過敏反應等。如果人員長期生活在濃度較高的甲醛環境中，將會造成癌變、肝損傷、破壞人體中樞大腦神經、嬰幼兒會造成白血病及畸形等，嚴重的會造成直接死亡。

1.2 氨對人的危害

氨對人造成危害的主要機理是通過呼吸道將人體的組織水分吸收，從而導致呼吸道受到刺激與腐蝕，造成人體抵抗疾病的能力下降。如果人體吸入的氨氣濃度較高時，會造成三叉神經反射引發心臟驟停，危害人員的生命。在氨氣被人吸入后，氨氣進入肺部后滲入血液里，在血液中與血蛋白進行結合，致使人體含氧量降低。吸入氨氣輕則將導致人體出現惡心、咳嗽反應，嚴重的會造成肺部水腫、呼吸困難等癥狀[2]。

2 室內甲醛及氨的治理技術

對室內甲醛、氨氣治理主要采用植物吸收法、微生物降解法、熱催化降解法、光催化及活性炭吸附法等。上述治理方法除了吸附法外，其他方法都存在治理時間長、見效慢、對環境要求高、操作復雜等缺點。活性炭吸附技術由于具有結構簡單、選擇廣泛、吸附穩定、成本較低、來源非常廣泛等優點，目前被廣泛應用到室內甲醛、氨氣的治理中。

2.1 活性炭對甲醛、氨氣治理機理

活性炭吸附機理主要是由于活性炭具有較為豐富孔隙和含氧表面官能團。活性炭依據吸附力作用的不同可分為，物理性吸附與化學性吸附。

物理性吸附是指利用不對稱偶極產生吸附力，將所吸物質吸附于活性炭，在這一過程里，吸附的物質和吸附劑的分子沒有發生化學性變化，并且，吸附過程熱量較小，當溫度升高時，活性炭吸附能力將降低，因此，物理性吸附要在低溫進行，吸附可單層，也可多層。

化學性吸附機理主要是由于活性炭含氧表面官能團能夠和被吸附的物質進行化學上的反應，進而達到吸附的作用。化學性吸附相對穩定，不會出現脫附的現象，但能夠出現吸附飽和的情況。影響化學性的吸附因素很多，除了活性炭孔隙的結構和吸附物質性質外，活性炭含氧表面官能團也對其影響很大[3]。

2.2 活性炭的改性對吸附產生的作用

活性炭雖然具有容易再生、吸附能力強、吸附的容量大等特點，但是，單靠活性炭微孔結構對污染物進行吸附，活性炭會隨著吸附時間延長達到吸附的飽和，隨之將失去物理吸附作用。所以，國內、國外相關研究機構在活性炭的改性上進行了大量研究，使改性后的活性炭對污染吸附的方式變成物理+化學吸附，不再是單純物理性吸附，從而使活性炭吸附能力總體上有了大幅度的提高。進行活性炭改性通常所使用的主要方式是化學表面結構改性與物理表面結構改性[4]。

3 活性炭改性對甲醛、氨吸附的影響

3.1 活性炭HNO3改性對甲醛吸附的影響

使用HNO3氧化劑進行活性炭氧化的處理，是活性炭改性的最常用方法。活性炭經過HNO3處理后，表面含氧的官能團增量顯著，進而活性炭在硝基苯吸附能力上得到很大提高。通過改變氧化改性過程中溫度、濃度，研究其對活性炭組織表面結構的影響，結果發現在室溫、低濃度條件下改性的活性炭，其表面官能團增加顯著，并且，氧化后石墨結構得到增加，活性炭各層距離得到縮短。

3.1.1 靜態的吸附特性分析

取適量改性前與改性后的樣品置于飽和甲醛污染氣體中，進行吸附量實驗，調節環境溫度在25 ℃恒溫狀態，進行24 h 吸附試驗，計算活性炭改性前后吸附甲醛飽和量，結果如圖1所示。其中ACraw 是改性前樣品，AC-N1 至AC-N4 是改性后樣品。從圖1 可知，樣品活性炭AC-3 經過HNO3改性以后，對甲醛飽和性吸附量得到很大提高，其飽和性吸附量從1.38 mg·g-1增長到3.45 mg·g-1。隨著HNO3濃度不斷增大，樣品吸附甲醛量也逐漸增大，當濃度升高到7 mol·L-1的時候，樣品吸附甲醛量會有所降低，這說明，雖然活性炭經過HNO3改性以后，活性炭表面含氧的官能團得到增加，可是活性炭微孔與面積比減小，這對甲醛的吸附有一定的影響[5]。

圖1 各活性炭樣品在靜態狀態下對甲醛飽和吸附圖

3.1.2 動態的吸附特性分析

取適量改性前與改性后的樣品置于飽和甲醛污染氣體中，根據不同時間繪制吸附甲醛曲線，如圖2所示。其中ACraw 是改性前樣品，AC-N1 至AC-N4 是改性后樣品。

圖2 各活性炭樣品在動態狀態下對甲醛飽和吸附曲線

從圖2 可知，在開始吸附階段各樣品均顯現上升趨勢，隨著時間的加大，上升變為平緩。當HNO3小于3 mol·L-1時，曲線斜率低于活性炭的原始階段，當HNO3大于3 mol·L-1時，大于活性炭的原始階段，這說明此時活性炭吸附甲醛速率加快。

3.2 活性炭ZnCl2改性對氨吸附的影響

氨是具有刺激氣味、無色氣體，它是較為常見室內裝潢污染的氣體，它能與人的呼吸道、眼皮膚發生反應，致使其燒傷、流淚、咽痛、乏力、惡心等癥狀。使用ZnCl2對活性炭進行改性后，改善了活性炭表面官能團結構，通過改性使氨與活性炭表面官能團發生化學氫鍵反應，從而提高了活性炭吸附氨的能力[6]。

3.2.1 活性炭改性ZnCl2的濃度對吸附氨的影響

活性炭經過ZnCl2改性的前后，通過樣品實驗，根據吸附數據繪制活性炭吸附氨的曲線，如圖3所示。其中ACraw 是改性前樣品，AC1 至AC4 是改性后樣品。

圖3 各樣品活性炭吸附氨的曲線圖

從圖3 不難得出，隨時間延長，改性后樣品吸附氨的能力變大。時間在2 h 位置，樣品ACraw 吸附氨達到12.5 mg·g-1。ZnCl2的濃度在一定范圍時，隨濃度增加，其樣品吸附量將會增大，樣品AC3 吸附氨最大（75.58 mg·g-1），但過高的濃度也不利對氨進行吸附。通過上述分析，活性炭經過ZnCl2的改性，促進了氨的吸附能力，改進后樣品AC3 吸附氨達到75.58 mg·g-1，它是改進前樣品ACraw 的6 倍多。

3.2.2 活性炭改性后吸附氨的機理

活性炭經過ZnCl2改性后，從圖3 能夠看出，樣品吸附氨的能力增強，這與改性后活性炭介孔比例適宜、表面官能團增強有直接關系。氨能夠得到有效的吸附，主要是改性后的孔徑適合活性炭和氨進行接觸，而孔容又增加了氨的吸附量[7]。另外，氨氣在濕潤空氣中，容易分解成銨離子，它極易和活性炭酸性表面官能團發生反應，從而達到過濾氨氣的目的。

4 結束語

本文通過對活性炭改性前吸附以及改性后吸附機理的分析，確定了活性炭改性是今后處理室內有害氣體的研究方向，通過活性炭改性，使原來單一的物理吸附變成物理加化學吸附，這大大增強了活性炭對家居中甲醛、氨氣等有害污染凈化的能力，從而為人們提供健康家居環境。