利用活性炭吸附作用去除室內(nèi)甲醛的效果分析

葉彩華

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000）

甲醛作為室內(nèi)環(huán)境污染的元兇之一，對(duì)人體的危害較大，需要進(jìn)行清除。在室內(nèi)甲醛的清除中，不同的方法產(chǎn)生的效果不同，當(dāng)前較為常用的方法為活性炭吸附法[1]。利用活性炭吸附室內(nèi)甲醛可以幫助改善室內(nèi)環(huán)境，為居民的身心健康提供保障。

1 甲醛的來(lái)源

甲醛是醛類中毒性較強(qiáng)的一個(gè)品種，對(duì)人體的危害較大。人體長(zhǎng)期暴露在甲醛環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)咳嗽、發(fā)熱、胸悶、食欲不振等癥狀，所以需要清除環(huán)境中的甲醛[2]。在人們的居住環(huán)境中，甲醛主要源于以下兩個(gè)方面。

1.1 室外空氣中的甲醛

當(dāng)前，室外環(huán)境中的甲醛主要源于皮革制作所用防腐劑和脫臭劑、紡織生產(chǎn)所用漂白劑、工業(yè)造紙所用漂白劑等產(chǎn)生的廢氣。在生產(chǎn)甲醛或以甲醛作為生產(chǎn)原料的化工廠和木材廠中，會(huì)產(chǎn)生大量甲醛[3]。石油、煤炭、天然氣、香煙等有機(jī)材料在高溫高熱的環(huán)境下燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量甲醛。此外，汽車尾氣經(jīng)過(guò)光化反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生甲醛。室外環(huán)境中的甲醛危害范圍較大，只要是在甲醛產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間生活、工作的人，健康都無(wú)法保障。

1.2 室內(nèi)空氣中的甲醛

室內(nèi)空氣中的甲醛主要來(lái)自裝修材料，例如各種細(xì)工木板、膠合板、高密度纖維板、地板膠、黏合劑、乳膠漆等，在房屋裝修過(guò)程中，均會(huì)在室內(nèi)釋放不同濃度的甲醛[4]。此外，廚房中使用的液化氣、煤氣等燃燒不完全也會(huì)產(chǎn)生一定的甲醛，殺蟲(chóng)劑、消毒劑、防腐劑、化妝品中也含有甲醛。由此可見(jiàn)，室內(nèi)空氣中的甲醛來(lái)源較廣。

2 甲醛的危害

甲醛對(duì)人體產(chǎn)生的危害較大，尤其是兒童、孕產(chǎn)婦等免疫力較差的人群，會(huì)引發(fā)慢性呼吸道疾病、月經(jīng)紊亂、妊娠綜合征、白血病、記憶力下降等[5]。不同質(zhì)量濃度的甲醛產(chǎn)生的危害效應(yīng)不同，具體如表1所示。

由表1可知，甲醛對(duì)人體產(chǎn)生的危害較大，主要表現(xiàn)為嗅覺(jué)異常、刺激、過(guò)敏、肺部不適、免疫功能異常等。甲醛刺激

表1 不同質(zhì)量濃度的甲醛對(duì)人體產(chǎn)生的危害

主要是對(duì)皮膚黏膜的刺激作用，因?yàn)榧兹┦窃瓭{毒物質(zhì)，可以與蛋白質(zhì)結(jié)合，高濃度的甲醛被人體吸入后，會(huì)造成呼吸道嚴(yán)重水腫及刺激、頭痛、眼刺激等。甲醛過(guò)敏主要是人直接接觸甲醛后皮膚出現(xiàn)皮炎、色斑、壞死等癥狀，如果吸入濃度過(guò)高的甲醛會(huì)引發(fā)支氣管哮喘。甲醛造成的突變危害主要是因?yàn)榧兹┦且环N基因毒性物質(zhì)，可以致癌，大量吸入甲醛會(huì)引發(fā)鼻鱗狀細(xì)胞癌。

甲醛作為一種危害性較大的物質(zhì)，對(duì)人體的免疫功能、肝臟、肺、皮膚、神經(jīng)系統(tǒng)等均會(huì)產(chǎn)生危害，還會(huì)造成兒童智力低下、胎兒致畸等，所以需要重視環(huán)境中甲醛的清除，為人們提供安全的生存環(huán)境。

3 活性炭分離及吸附甲醛的機(jī)理

活性炭具有吸附作用，用途較廣。按照原料的來(lái)源，活性炭可分為木質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭、果殼炭、石油類活性炭、骨炭、礦物質(zhì)原料炭等；按照制造方法，活性炭可分為物理法活性炭、化學(xué)法活性炭、化學(xué)物理相結(jié)合活性炭；按照形態(tài)，活性炭可分為柱狀活性炭、粉狀活性炭、球形活性炭、顆粒活性炭、纖維狀活性炭、不定型活性炭等[6]。

活性炭的形態(tài)不同，應(yīng)用范圍也不同，結(jié)構(gòu)也存在一定的差異。例如植物類殼質(zhì)活性炭相對(duì)于其他種類的活性炭，微孔結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)；木質(zhì)活性炭與其他類型的活性炭相比，中孔結(jié)構(gòu)較為豐富；煤質(zhì)類活性炭的孔結(jié)構(gòu)分布較為均勻。不同的活性炭因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的吸附效果不同，在甲醛的吸附處理中，選擇合適的活性炭可以起到較好的吸附作用。

在甲醛的吸附中，活性炭主要通過(guò)自身豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、表面的含氧官能團(tuán)等發(fā)揮作用。活性炭在吸附分子時(shí)，分子聚集在碳纖維的表面，按照其吸附力的不同，可以分為物理吸附和化學(xué)吸附。

（1）物理吸附。吸附質(zhì)受到不對(duì)稱偶極作用，產(chǎn)生范德華力，進(jìn)而吸附在活性炭的表面。在整個(gè)吸附過(guò)程中，吸附質(zhì)和吸附劑分子的性質(zhì)不會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)槲锢砦疆a(chǎn)生的吸附熱較小，隨著溫度的升高，活性炭的吸附力會(huì)下降，所以物理吸附適用于低溫環(huán)境。

（2）化學(xué)吸附。活性炭表面的含氧官能團(tuán)與吸附質(zhì)之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使吸附質(zhì)吸附在活性炭的表面，這種吸附相比物理吸附是不可逆的，其吸附性相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)脫附現(xiàn)象。

4 活性炭吸附甲醛的影響因素

活性炭吸附甲醛的影響因素較多，綜合分析可以將其歸結(jié)為4種。

4.1 吸附時(shí)間及用量

在室內(nèi)甲醛的吸附中，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，室內(nèi)甲醛的質(zhì)量濃度會(huì)逐漸降低（在國(guó)家規(guī)定的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，甲醛的質(zhì)量濃度應(yīng)低于0.1 mg/m3）。但是吸附時(shí)間超過(guò)5 h后，室內(nèi)甲醛的質(zhì)量濃度會(huì)出現(xiàn)小幅度升高，主要是因?yàn)槠胀ɑ钚蕴课? h后吸附性能下降，出現(xiàn)脫附現(xiàn)象。同時(shí)，活性炭的用量也是影響室內(nèi)甲醛吸附效果的因素，按照室內(nèi)空間的大小，選用適量活性炭進(jìn)行吸附，如果用量過(guò)少，達(dá)不到吸附的效果；如果用量過(guò)大，會(huì)造成浪費(fèi)。

4.2 粒徑

活性炭的粒徑也是影響甲醛吸附效果的因素。理論上，活性炭顆粒粒徑越小，其吸附比表面積越大，吸附性能越好，所以粉末狀活性炭的吸附率低于顆粒活性炭。但是，粒徑不是越小越好[6]。大粒徑活性炭的大孔也可以起到輸送氣體的作用，所以，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的粒徑，一般以20～40目為宜。

4.3 溫度

隨著室內(nèi)溫度的升高，甲醛揮發(fā)速度加快，所以在使用活性炭進(jìn)行室內(nèi)甲醛吸附的過(guò)程中，需要保證環(huán)境溫度適宜，不會(huì)對(duì)吸附效果產(chǎn)生較大影響。有研究發(fā)現(xiàn)，55 ℃、吸附時(shí)間3 h為最佳吸附條件，此時(shí)活性炭對(duì)甲醛的吸附量可以達(dá)到68.5 mg/g。隨著溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，活性炭的吸附點(diǎn)接觸的分子增多，吸附率提高，單位時(shí)間內(nèi)被吸附的分子增加，造成最大吸附值前移，吸附量減少，所以在活性炭吸附甲醛的過(guò)程中，需要保證溫度合適[7]。

4.4 濕度

甲醛可以溶于水，所以室內(nèi)濕度對(duì)活性炭的吸附效果有較大影響。在室內(nèi)濕度較大的情況下，使用活性炭吸附甲醛的效果較好。當(dāng)相對(duì)濕度為80%時(shí)，活性炭的吸附量減少到單組分吸附50%左右；當(dāng)濕度保持在50%以下，活性炭吸附甲醛的效果最好。

5 活性炭吸附作用去除室內(nèi)甲醛的效果

為了選擇合適的活性炭清除室內(nèi)甲醛，本研究取10 mL甲醛溶液，分量置于不同的實(shí)驗(yàn)箱（體積同為12.66 m3）中，讓甲醛自然揮發(fā)12 h，形成一定濃度的甲醛環(huán)境，取出未蒸發(fā)的甲醛溶液，測(cè)定初始濃度。在不同的用量和粒徑以及改性條件下，開(kāi)展活性炭吸附效果實(shí)驗(yàn)。

5.1 不同用量活性炭的甲醛吸附效果

在實(shí)驗(yàn)箱中放入不同用量的活性炭后，甲醛吸附效果如圖1所示。

圖1 不同用量活性炭的甲醛平均去除率曲線

從圖1中可以看到，室內(nèi)甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著活性炭吸附時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，吸附時(shí)間達(dá)到5 h后，甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有小幅度的升高，表明活性炭出現(xiàn)了脫附現(xiàn)象，活性炭吸附的最佳時(shí)間為4～5 h。分析活性炭的用量發(fā)現(xiàn)，100 g活性炭的吸附效果最好，甲醛去除率最高，此時(shí)活性炭的質(zhì)量濃度為100 g/12.66 m3≈8 g/m3。

5.2 不同粒徑活性炭的甲醛吸附效果

使用粉末狀活性炭、顆粒狀活性炭進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同粒徑活性炭的甲醛吸附曲線

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，粉末活性炭的吸附率低于顆粒活性炭的吸附率，原因是粉末活性炭的通透性差，影響其吸附效果[8]。粉末活性炭沒(méi)有出現(xiàn)脫附現(xiàn)象，表明吸附面積越大，越不容易發(fā)生脫附。所以在室內(nèi)甲醛吸附中，可以選擇小粒徑活性炭。

5.3 普通活性炭與改性活性炭的甲醛吸附效果

將顆粒活性炭在碳酸鈉和亞硫酸氫鈉混合飽和溶液中浸泡1 h，然后放入亞硫酸氫鈉飽和溶液中浸泡1 h，最后將其放在70～80 ℃環(huán)境下干燥2 h，獲得改性活性炭。分別用30 g普通活性炭和改性活性炭進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 普通與改性活性炭的甲醛吸附曲線

從圖3中可以看出，改性活性炭的甲醛吸附效果優(yōu)于普通活性炭，且沒(méi)有出現(xiàn)脫附現(xiàn)象，說(shuō)明改性活性炭的甲醛吸附效果好。

5.4 不同用量改性活性炭的甲醛吸附效果

使用不同用量的改性活性炭進(jìn)行甲醛吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同用量改性活性炭的甲醛吸附曲線

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，不同用量的改性活性炭對(duì)甲醛的吸附效果有一定影響，但是整體上影響不大，只會(huì)影響甲醛的吸附速率。30 g和40 g改性活性炭的甲醛去除率相差較小，從經(jīng)濟(jì)的角度分析，可以選擇30 g改性活性炭，此時(shí)改性活性炭的質(zhì)量濃度為30 g/12.66 m3≈3 g/m3。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，普通活性炭的最佳用量為8 g/m3，改性活性炭的最佳用量為3 g/m3，為了減少用量，應(yīng)選擇改性活性炭。在實(shí)際的吸附過(guò)程中，環(huán)境中的溫度、濕度等對(duì)吸附效果也會(huì)產(chǎn)生影響，所以需要選擇合適的環(huán)境條件，使用改性活性炭進(jìn)行室內(nèi)甲醛的吸附。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量得到提升，經(jīng)濟(jì)水平也有顯著提高，對(duì)居住環(huán)境、住房等的要求也越來(lái)越高，在住房裝修中開(kāi)始選擇危害性較小的材料。甲醛是裝修材料中的主要污染物，對(duì)人體的傷害較大，甚至威脅到人們的生命安全，所以需要大力清除室內(nèi)甲醛。活性炭是清除甲醛的常用材料。活性炭的類型不同，其吸附效果也不同。研究得出，改性活性炭的吸附效果優(yōu)于普通活性炭，粒徑較小的活性炭吸附效果較好。在使用活性炭進(jìn)行室內(nèi)甲醛吸附的過(guò)程中，還受到環(huán)境溫度、濕度等因素的影響。要想取得顯著的吸附效果，需要在環(huán)境條件合適的情況下選擇粒徑較小的改性活性炭吸附甲醛。