摘要:吸附技術(shù)是密閉空間比較普遍的凈化方法,而制約其凈化效果的是吸附劑的發(fā)展。為了提高吸附技術(shù)的吸附效果,研制了一種新型的吸附材料,實(shí)驗(yàn)證明這種吸附材料能夠有效的去除密閉空間中的多種有害氣體。對(duì)于CO2 、H2S、NH3 以及NO2 的消除率均達(dá)到了82.2 %以上。同時(shí)在濕度較大的情況下也能很好的捕集空氣中的粉塵。吸附材料實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的制備,可以在地下工程或其他密閉環(huán)境中得到推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:有害氣體,吸附工藝,吸附劑

0 　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及公眾對(duì)密閉空間有害氣體的重視,關(guān)于密閉空間有害氣體的凈化技術(shù)也得到了快速發(fā)展。目前比較有代表性的有:吸附法、低溫等離子凈化方法、催化凈化法以及臭氧凈化法[123 ] 。低溫等離子空氣凈化技術(shù)是涉及高能物理、放電物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)和高壓脈沖技術(shù)領(lǐng)域的一門交叉學(xué)科。與其他污染治理技術(shù)相比,等離子體法具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點(diǎn),因而,在工程中得到廣泛運(yùn)用[426 ] 。趙雷等[6 ] 在研究運(yùn)用低溫等離子技術(shù)凈化空氣中甲苯中發(fā)現(xiàn),在電壓為9 kV ,甲苯含量小于12 g/m3 時(shí),等離子反應(yīng)器有較高的凈化效率,尤其在低甲苯時(shí),凈化效率可接近于100 %。

但是目前低溫等離子體凈化技術(shù)面臨的最大問題是容易產(chǎn)生二次污染物——臭氧,為了避免二次污染物的產(chǎn)生,現(xiàn)在又發(fā)展了等離子- 光催化的凈化技術(shù), 但對(duì)于光源的嚴(yán)格要求又限制了這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用。催化凈化法是利用催化劑的催化作用將空氣中的污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì),或者轉(zhuǎn)化為比原來存在狀態(tài)更易除去的物質(zhì)的一種方法。按氣態(tài)污染物在催化反應(yīng)過程中的氧化還原性質(zhì),催化轉(zhuǎn)化可分為催化氧化法和催化還原法。如:氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾姆磻?yīng)屬催化還原法,而二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫?qū)俅呋趸�。催化轉(zhuǎn)化法凈化技術(shù)原理在于:利用催化劑中的活化物質(zhì)來改變正�；瘜W(xué)反應(yīng)的正逆反應(yīng)速度, 以提高有害物質(zhì)向無害物質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

但是目前催化轉(zhuǎn)化法凈化技術(shù)的局限性在于:只適用于單一成分的氣態(tài)污染物的凈化,由于每種氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化過程中所需要的催化劑不同,所以對(duì)于多種成分共存的空氣凈化不能使用這種方法。

臭氧凈化法是利用臭氧的強(qiáng)氧化性對(duì)細(xì)菌和病毒進(jìn)行殺滅,同時(shí)它也能對(duì)部分VOCs 進(jìn)行氧化分解。但是研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)污染物間的化學(xué)反應(yīng)都直接或間接與臭氧有關(guān)。臭氧能與不飽和烴及氮氧化物反應(yīng),并產(chǎn)生大量自由基和官能團(tuán),由此引發(fā)了多種反應(yīng)過程,形成本來沒有的污染物[5 ] 。所以在選擇臭氧凈化法要考慮由此可能產(chǎn)生的二次污染物。因此,目前對(duì)于室內(nèi)空氣的凈化比較普遍的是采用吸附法。

1 　吸附技術(shù)

吸附技術(shù)使用多孔性固體處理氣體混合物,使其中所含的一種或幾種組分濃集在固體表面,而與其他組分分開。它具有效率高,能回收有用組分,設(shè)備簡單,操作方便,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

1.1 　吸附過程

根據(jù)吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生的作用力的性質(zhì), 通常將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。

1) 物理吸附:亦稱范德華吸附,是由于吸附劑和吸附質(zhì)之間的靜電力或范德華引力產(chǎn)生的吸附。物理吸附是一種放熱過程,其放熱量相當(dāng)于被吸附氣體的升華熱,一般為20 kJ/mol 左右。物理吸附是可逆的,當(dāng)系統(tǒng)的溫度升高或被吸附氣體壓力降低時(shí),被吸附的氣體將從固體表面逸出。在低壓下,物理吸附一般為單分子層吸附,當(dāng)吸附質(zhì)的氣壓增大時(shí),也會(huì)變?yōu)槎喾肿訉游健?/p>

2) 化學(xué)吸附:亦稱活性吸附,是由于吸附劑表面與吸附質(zhì)分子間的化學(xué)反應(yīng)力導(dǎo)致的吸附�；瘜W(xué)吸附也是放熱過程,但較物理吸附放熱量大,其數(shù)量相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱,一般為84～417 kJ/mol �；瘜W(xué)吸附的速率隨溫度升高而顯著增加,宜在較高溫度下進(jìn)行。化學(xué)吸附有很強(qiáng)的選擇性,僅能吸附參與化學(xué)反應(yīng)的某些氣體,吸附是不可逆過程,且總是單分子層或單原子層吸附。

物理吸附與化學(xué)吸附之間沒有嚴(yán)格的界限,同一物質(zhì)在較低溫度下可能發(fā)生物理吸附,而在較高溫度下往往是化學(xué)吸附。

吸附凈化法的凈化效率高,特別是對(duì)低濃度氣體仍具有很強(qiáng)的凈化能力。但是單純使用吸附技術(shù)是很難起到理想的凈化效果,因此,它常作為深度凈化手段或聯(lián)合應(yīng)用幾種方法時(shí)的最終控制手段。

1.2 　吸附劑

吸附劑是吸附技術(shù)的關(guān)鍵,目前常用的吸附劑有:活性炭、活性氧化鋁、硅膠以及沸石分子篩等。這些吸附材料對(duì)于一些有害氣體能夠起到很好的吸附凈化作用,但是對(duì)于密閉空間中的有害氣體如二氧化碳,氨等的吸附效果較差。另外,研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的活性炭對(duì)于室內(nèi)有害氣體的物理吸附穩(wěn)定性比較差,在溫度壓力等條件變化時(shí)容易脫附而造成二次污染[6 ] 。所以目前制約吸附技術(shù)在密閉環(huán)境中的凈化效果主要是吸附材料的發(fā)展。課題組經(jīng)過大量的試驗(yàn),研制了一種新型的吸附材料,并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的制備方法,目前已運(yùn)用于國防工程之中,取得了很好的效果。

2 　吸附材料的制備

課題組在對(duì)多家公司空氣凈化材料進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上,不斷探索新的配方和工藝,進(jìn)行了大量試驗(yàn),終于研制成功一種新型的吸附材料。

2.1 　吸附劑所用的材料

吸附劑是由脂肪酸鋅鹽、納石灰、聚乙烯醇、羧甲基纖維素納組成,同時(shí)還有氨、粘合劑、水等。

2.2 　吸附劑制備的工藝流程

經(jīng)過研究,制定了如下工藝流程:

纖維網(wǎng)→噴涂→烘干→直到纖維上0.6～0.8 kg/ m2 為止→驗(yàn)收→用塑料膜密封包裝在整個(gè)制備的過程中,最大的難點(diǎn)是溫度的控制。由于消除劑與活性碳的烘燥溫度相差很大,活性碳烘燥溫度可以加溫到170 ℃,可以在烘道內(nèi)加熱, 整個(gè)烘道是長2.5 m ,布網(wǎng)經(jīng)過噴涂后直接進(jìn)行烘道, 機(jī)上車速1 m/min ,只需25 min就可以烘干了。但對(duì)吸附劑的噴涂上述工藝是不可行的。因?yàn)閲娡课絼┑倪^濾網(wǎng)烘燥溫度超過100 ℃就失去吸附性能,而且變成深黃色且吸附劑自身能與空氣中CO2 起作用,自吸附性強(qiáng),故不能過長時(shí)間暴露在空氣中,因此從噴液到烘燥都是密閉式不用烘道而采用箱式烘箱。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)后,理想溫度是70～90 ℃為最佳。

2.3 　吸附劑的制備過程

首先將脂肪酸鋅鹽優(yōu)先采用蓖麻油酸鋅43～46 份,納石灰18～21 份,聚乙烯醇0.2～0.9 ,羧甲基纖維素納1.5 %～1.7 %和水32～34 份混合攪拌(可加熱) 呈糊狀液體。放入塑料桶內(nèi)再加入8 %～12 %的氨水,48 %～52 %的TN21 型粘合劑。

優(yōu)先采用交聯(lián)型丙烯酸復(fù)方粘合劑,混合均勻后放入噴涂容器內(nèi)。

第二步將纖維網(wǎng)平置在噴涂機(jī)的傳送帶上。

第三步啟動(dòng)噴涂機(jī)開關(guān),傳動(dòng)帶以1 m/min的車速將纖維網(wǎng)帶到噴涂架下,噴涂機(jī)上的噴嘴內(nèi)吸附劑凈化液體被4 kg/cm2的壓力噴向纖維網(wǎng)。由于噴嘴被一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所帶動(dòng),為此噴向纖維網(wǎng)上的液體呈一直線。由于傳動(dòng)帶的作用,纖維網(wǎng)不斷地前進(jìn), 一層吸附劑凈化層就形成。噴嘴擺動(dòng)一次數(shù)130～ 150 次/min 噴嘴液體分?jǐn)?shù)面積4 cm ×2 cm ,噴嘴離纖維網(wǎng)的高度12 cm。

第四步烘燥,將噴好的吸附劑凈化層的纖維網(wǎng)放入烘箱內(nèi)加溫到70～80 ℃烘燥,烘燥后再進(jìn)行第二次噴涂吸附劑凈化層,直到是每平方米的纖維網(wǎng)有 0.6～0.8 kg/m2的吸附劑凈化層。

第五步密封包裝,由于吸附劑凈化層能自行吸附空氣中的CO2 ,為此從烘箱內(nèi)取出吸附劑凈化層應(yīng)立即用塑料薄膜加以包裝好。

3 　吸附材料在凈化裝置上的運(yùn)用

為了檢驗(yàn)新研制的吸附材料對(duì)有害氣體的吸附性能,設(shè)計(jì)將此凈化材料和活性炭材料分別運(yùn)用于同種型號(hào)的凈化裝置上,然后對(duì)比它們的吸附效果。

3.1 　實(shí)驗(yàn)方案

3.1.1 　有害氣體的凈化

在密閉的空間中配備不同濃度的有害氣體,將新研制的吸附材料和活性炭空氣凈化材料,分別裝入同一型號(hào)的空氣凈化器內(nèi),啟動(dòng)凈化器,30 min后檢測容器內(nèi)實(shí)驗(yàn)前后的濃度差。

3.1.2 　粉塵的捕集率

在一定濕度(55 %) 的密閉空間中吹入一定量的粉塵,將新研制的吸附材料和活性炭空氣凈化材料, 分別裝入同一型號(hào)的空氣凈化器內(nèi),然后啟動(dòng)空氣凈化器。30 min后,測定密閉空間中粉塵量。

3.2 　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

新研制的吸附凈化材料及活性炭凈化材料對(duì)有害氣體的凈化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

從表1 中可以看出,傳統(tǒng)的活性炭對(duì)二氧化碳幾乎不能起到吸附凈化作用。而新研制的吸附材料對(duì)于多種有害氣體的凈化能起到很好的效果,平均達(dá)到了91.7 % ,明顯高于傳統(tǒng)的活性炭凈化材料。

對(duì)粉塵的捕集實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

從表2 中可以看出,新研制的吸附凈化材料在濕度較大的情況下對(duì)粉塵的捕集率也非常高, 達(dá)到 98 %。

該吸附材料不僅可以運(yùn)用于空氣凈化裝置中,還可以單獨(dú)作用。打開包裝袋將其放于有害氣體濃度較高的密閉環(huán)境中,它就能自行吸附有害氣體。

4 　結(jié)論

1) 吸附法是目前空氣凈化運(yùn)用比較廣泛的技術(shù)之一,而制約其發(fā)展的重要因素是吸附材料。傳統(tǒng)的吸附材料對(duì)密閉空間中二氧化碳的吸附能力非常弱。

2) 為促進(jìn)吸附工藝在空氣凈化中的運(yùn)用,課題組研制了一種新型吸附材料,通過實(shí)驗(yàn)證明,這種吸附材料能夠有效凈化密閉空間中的多種有害氣體。同時(shí)在濕度較大情況下對(duì)粉塵的捕集率也是非常高。

3) 新研制的吸附材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的制備方法,因此可以在地鐵、地下商場、游樂場所等密閉環(huán)境中得到推廣應(yīng)用。

4) 通過對(duì)材料的改進(jìn),吸附工藝在運(yùn)用于密閉環(huán)境內(nèi)的空氣凈化中完全可以取得很好的效果[9 ] 。

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