活性炭改性对气相污染物甲醛及氨吸附去除影响的研究

李 强

（大同中车煤化有限公司，山西 大同 037300）

随着人们生活水平的不断提高，人们对生活环境的要求也不断提高，尤其是家居生活环境的要求，随之而来，市场上出现了各式各样的家居装潢材料。随着装潢材料品种的增多，装潢材料添加剂的使用也不断加大，这无形中给家居室内带来严重的空气污染。

据不完全统计，当前家居室内污染是室外污染2.5 倍，有些房屋由于建筑格局原因，致使通风不良，使得装修后污染达到室外100 倍左右。当前人们每天生活在居室内的时间，占总时间的80%以上，由于现代建筑技术、质量越来也高，房屋密封的性能也非常高，使得室内与室外空气流通受限，有害气体污染非常严重。室内长期存在有害气体，将会损害长期居住人员的身体健康，会加大人员患病几率。据统计，幼儿患白血病的70%，是因为所居住环境存在有害气体的污染，其中最有害的气体是甲醛与氨气。

1 甲醛与氨气对人的危害

1.1 甲醛对人的危害

甲醛是对人最具危害的气体，世卫组织WHO将其确定为能够导致人体发生癌变的物质。在化学品种，甲醛是具有一定毒性的物质，在危化品限制名单中排在第二位置。因为各种因素，致使衣物、食品、室内甲醛累积，会使长期接触的人员受到严重伤害[1]。不同浓度的甲醛，会对人体造成不同程度的伤害。当人体接触的甲醛浓度较低时，对人体损害不严重，这时，老年人、小孩、免疫力低的人群会出现身体异样、过敏反应等。如果人员长期生活在浓度较高的甲醛环境中，将会造成癌变、肝损伤、破坏人体中枢大脑神经、婴幼儿会造成白血病及畸形等，严重的会造成直接死亡。

1.2 氨对人的危害

氨对人造成危害的主要机理是通过呼吸道将人体的组织水分吸收，从而导致呼吸道受到刺激与腐蚀，造成人体抵抗疾病的能力下降。如果人体吸入的氨气浓度较高时，会造成三叉神经反射引发心脏骤停，危害人员的生命。在氨气被人吸入后，氨气进入肺部后渗入血液里，在血液中与血蛋白进行结合，致使人体含氧量降低。吸入氨气轻则将导致人体出现恶心、咳嗽反应，严重的会造成肺部水肿、呼吸困难等症状[2]。

2 室内甲醛及氨的治理技术

对室内甲醛、氨气治理主要采用植物吸收法、微生物降解法、热催化降解法、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时间长、见效慢、对环境要求高、操作复杂等缺点。活性炭吸附技术由于具有结构简单、选择广泛、吸附稳定、成本较低、来源非常广泛等优点，目前被广泛应用到室内甲醛、氨气的治理中。

2.1 活性炭对甲醛、氨气治理机理

活性炭吸附机理主要是由于活性炭具有较为丰富孔隙和含氧表面官能团。活性炭依据吸附力作用的不同可分为，物理性吸附与化学性吸附。

物理性吸附是指利用不对称偶极产生吸附力，将所吸物质吸附于活性炭，在这一过程里，吸附的物质和吸附剂的分子没有发生化学性变化，并且，吸附过程热量较小，当温度升高时，活性炭吸附能力将降低，因此，物理性吸附要在低温进行，吸附可单层，也可多层。

化学性吸附机理主要是由于活性炭含氧表面官能团能够和被吸附的物质进行化学上的反应，进而达到吸附的作用。化学性吸附相对稳定，不会出现脱附的现象，但能够出现吸附饱和的情况。影响化学性的吸附因素很多，除了活性炭孔隙的结构和吸附物质性质外，活性炭含氧表面官能团也对其影响很大[3]。

2.2 活性炭的改性对吸附产生的作用

活性炭虽然具有容易再生、吸附能力强、吸附的容量大等特点，但是，单靠活性炭微孔结构对污染物进行吸附，活性炭会随着吸附时间延长达到吸附的饱和，随之将失去物理吸附作用。所以，国内、国外相关研究机构在活性炭的改性上进行了大量研究，使改性后的活性炭对污染吸附的方式变成物理+化学吸附，不再是单纯物理性吸附，从而使活性炭吸附能力总体上有了大幅度的提高。进行活性炭改性通常所使用的主要方式是化学表面结构改性与物理表面结构改性[4]。

3 活性炭改性对甲醛、氨吸附的影响

3.1 活性炭HNO3改性对甲醛吸附的影响

使用HNO3氧化剂进行活性炭氧化的处理，是活性炭改性的最常用方法。活性炭经过HNO3处理后，表面含氧的官能团增量显著，进而活性炭在硝基苯吸附能力上得到很大提高。通过改变氧化改性过程中温度、浓度，研究其对活性炭组织表面结构的影响，结果发现在室温、低浓度条件下改性的活性炭，其表面官能团增加显著，并且，氧化后石墨结构得到增加，活性炭各层距离得到缩短。

3.1.1 静态的吸附特性分析

取适量改性前与改性后的样品置于饱和甲醛污染气体中，进行吸附量实验，调节环境温度在25 ℃恒温状态，进行24 h 吸附试验，计算活性炭改性前后吸附甲醛饱和量，结果如图1所示。其中ACraw 是改性前样品，AC-N1 至AC-N4 是改性后样品。从图1 可知，样品活性炭AC-3 经过HNO3改性以后，对甲醛饱和性吸附量得到很大提高，其饱和性吸附量从1.38 mg·g-1增长到3.45 mg·g-1。随着HNO3浓度不断增大，样品吸附甲醛量也逐渐增大，当浓度升高到7 mol·L-1的时候，样品吸附甲醛量会有所降低，这说明，虽然活性炭经过HNO3改性以后，活性炭表面含氧的官能团得到增加，可是活性炭微孔与面积比减小，这对甲醛的吸附有一定的影响[5]。

图1 各活性炭样品在静态状态下对甲醛饱和吸附图

3.1.2 动态的吸附特性分析

取适量改性前与改性后的样品置于饱和甲醛污染气体中，根据不同时间绘制吸附甲醛曲线，如图2所示。其中ACraw 是改性前样品，AC-N1 至AC-N4 是改性后样品。

图2 各活性炭样品在动态状态下对甲醛饱和吸附曲线

从图2 可知，在开始吸附阶段各样品均显现上升趋势，随着时间的加大，上升变为平缓。当HNO3小于3 mol·L-1时，曲线斜率低于活性炭的原始阶段，当HNO3大于3 mol·L-1时，大于活性炭的原始阶段，这说明此时活性炭吸附甲醛速率加快。

3.2 活性炭ZnCl2改性对氨吸附的影响

氨是具有刺激气味、无色气体，它是较为常见室内装潢污染的气体，它能与人的呼吸道、眼皮肤发生反应，致使其烧伤、流泪、咽痛、乏力、恶心等症状。使用ZnCl2对活性炭进行改性后，改善了活性炭表面官能团结构，通过改性使氨与活性炭表面官能团发生化学氢键反应，从而提高了活性炭吸附氨的能力[6]。

3.2.1 活性炭改性ZnCl2的浓度对吸附氨的影响

活性炭经过ZnCl2改性的前后，通过样品实验，根据吸附数据绘制活性炭吸附氨的曲线，如图3所示。其中ACraw 是改性前样品，AC1 至AC4 是改性后样品。

图3 各样品活性炭吸附氨的曲线图

从图3 不难得出，随时间延长，改性后样品吸附氨的能力变大。时间在2 h 位置，样品ACraw 吸附氨达到12.5 mg·g-1。ZnCl2的浓度在一定范围时，随浓度增加，其样品吸附量将会增大，样品AC3 吸附氨最大（75.58 mg·g-1），但过高的浓度也不利对氨进行吸附。通过上述分析，活性炭经过ZnCl2的改性，促进了氨的吸附能力，改进后样品AC3 吸附氨达到75.58 mg·g-1，它是改进前样品ACraw 的6 倍多。

3.2.2 活性炭改性后吸附氨的机理

活性炭经过ZnCl2改性后，从图3 能够看出，样品吸附氨的能力增强，这与改性后活性炭介孔比例适宜、表面官能团增强有直接关系。氨能够得到有效的吸附，主要是改性后的孔径适合活性炭和氨进行接触，而孔容又增加了氨的吸附量[7]。另外，氨气在湿润空气中，容易分解成铵离子，它极易和活性炭酸性表面官能团发生反应，从而达到过滤氨气的目的。

4 结束语

本文通过对活性炭改性前吸附以及改性后吸附机理的分析，确定了活性炭改性是今后处理室内有害气体的研究方向，通过活性炭改性，使原来单一的物理吸附变成物理加化学吸附，这大大增强了活性炭对家居中甲醛、氨气等有害污染净化的能力，从而为人们提供健康家居环境。