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)來改變正常化學(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)氧化性對細(xì)菌和病毒進(jìn)行殺滅,同時(shí)它也能對部分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?；瘜W(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。這些吸附材料對于一些有害氣體能夠起到很好的吸附凈化作用,但是對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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