温度和吸附时间对竹炭去除有害物质的影响

李倩王晓旭/.上海市质量监督检验技术研究院；2.国家建筑材料及装饰装修材料质量监督检验中心

温度和吸附时间对竹炭去除有害物质的影响

李倩1,2王晓旭1/1.上海市质量监督检验技术研究院；2.国家建筑材料及装饰装修材料质量监督检验中心

分析了不同温度、吸附时间对竹炭除去有害物质的影响。研究表明：竹炭对分子量大、沸点高、极性弱的TVOC试验液的吸附性能更高。温度对竹炭的吸附性能影响明显。在实际使用过程中，竹炭除去有害物质的最佳持续吸附时间为4～5 d。

竹炭；有害物质；吸附；最佳持续吸附时间

0 引言

室内空气污染物有来源广、种类多的特点。常见的主要污染物有甲醛、氡、挥发性有机物等。甲醛是一种无色、有强烈刺激性气味的气体，有较高毒性，被国际防癌研究所列为致癌物之一[1]。苯在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯系污染物和TVOC已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质[2]。

室内污染防治措施主要有吸附净化、紫外线消毒、化学消毒、光催化氧化、空气负离子技术、生物净化、植物净化等[3]。物理吸附也称为范德华吸附，它是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。吸附质是指被吸附剂吸附的对象，即吸附过程中的吸附目标物。吸附剂是指能有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质。

作为物理吸附分离操作的常用吸附剂，活性炭具有如下特点：选择性强、比表面积较大、孔径范围广、表面富含多种官能团、性能稳定以及可以再生等。因此，活性炭市场应用越来越广，在“大吸附量、多功能、高强度”的总要求下，出现了对专用活性炭需求量越来越多的趋势[4～6]。

本文中的吸附质为甲醛、苯、TVOC试验液，吸附剂为竹炭，吸附过程具体分为四个过程，见图1。

实际使用过程中，竹炭不免会产生饱和吸附和反释放，而每种竹炭的表面结构不同，吸附作用也相差甚远，所以很多用户对于放置竹炭的数量和时间不清楚，很容易产生竹炭量不够、达不到较好的吸附效果，以及放置时间过久，使得竹炭吸附饱和并重新释放入室内，这样大大降低了竹炭的吸附作用。

本项研究着重于分析不同温度、吸附时间对竹炭除去有害物质的影响，并提出竹炭在不同温度下去除室内有害气体的推荐放置时间，更有效更合理地改善室内空气环境，以满足“绿色家居”、“环保家居”的发展趋势。

图1 竹炭吸附过程分析

1 实验部分

1.1 仪器设备、试剂和吸附剂

仪器设备：AB204-S型电子天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；VWH-1000型恒温恒湿箱（济南海纳特科技有限公司）；DHG-9036A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验仪器有限公司）。试剂：甲醛（分析纯）；苯（分析纯）；氨水（分析纯）；甲苯（分析纯）；二甲苯（分析纯）；乙苯（分析纯）；乙酸乙酯（分析纯）；苯乙烯（分析纯）；将氨水、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、乙酸乙酯、苯乙烯按等体积比混合制成的总挥发性有机物（TVOC）试验液。选取两种商业竹炭为吸附剂。

1.2 吸附实验方法

根据GB/T 26900-2011[7]《空气净化用竹炭》的要求，称取经粉碎至全部通过0.25 mm（60目）筛子的干燥竹炭试样2 g（称准至0.1 mg），放入预先恒重的称量瓶中，竹炭试样在称量瓶的底面厚度均匀。将甲醛、苯、TVOC试验液分别装入三个吸附仪底部的指定位置，竹炭试样置于吸附仪格栅上，吸附仪如图2（图中数字单位为mm）所示。

图2 竹炭气体吸附专用测定仪

将三个吸附仪分别于20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃下在气候箱中恒温吸附24 h、48 h、72 h、96 h、168 h，同时称取相同质量的竹炭试样做空白试验。以竹炭的增重占原试样质量的百分数表示竹炭对甲醛、苯、TVOC试验液的吸附率。具体按照式（1）计算。

1.3 结果计算

活性炭吸附率以%表示，按式（1）计算：

式中：X—竹炭对甲醛的吸附率，%；

m1—吸附前竹炭试样和称量瓶的质量，g；

m2—吸附后竹炭试样和称量瓶的质量，g；

m3—空白试验竹炭增加的质量，g；

m—竹炭试样的质量，g

2 结果与讨论

2.1 不同吸附质对竹炭吸附能力的影响

为了考察不同吸附质对竹炭吸附能力的影响，本项试验中分别选取了25 ℃下在气候箱中恒温吸附甲醛、苯、TVOC试验液24 h后得到的吸附率，结果如图3所示。

根据图1可知，竹炭对于甲醛、苯、TVOC试验液的吸附量依次增加，并且增加显著。这可能是由吸附质的分子量、沸点、极性等各种因素造成的。

图3 25 ℃恒温吸附24 h后竹炭试样对甲醛、苯、TVOC试验液的吸附率

1）分子量大的吸附质易于被吸附。这可能由于大分子量的吸附质在微孔中与竹炭吸附中心距离短，作用力大。甲醛、苯、TVOC的分子量依次为30、78、87。

2）沸点高的有机气体易于被吸附。这可能是由于有机物的沸点越高，在竹炭孔隙间液化或凝结以及毛细凝聚的可能性越大。甲醛、苯、TVOC的沸点依次为-19.5 ℃、80.1 ℃、103.7 ℃。

3）弱极性吸附质易于被吸附。这可能是由于竹炭C-C是非极性物质，而非极性物质相互吸附性能更强。苯、TVOC可视为非极性物质，而甲醛为极性物质。

2.2 温度对竹炭去除有害物质的影响

为了考察温度对竹炭去除有害物质的影响，本项试验中分别选取了在20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃下的气候箱中恒温吸附甲醛、苯、TVOC试验液24 h后得到的吸附率，结果如图4、图5所示。

图4 不同温度对竹炭试样1吸附率的影响

由图4和图5得出，温度对两种商业用竹炭试样吸附率的影响基本一致。竹炭在20 ～25 ℃时对甲醛、苯、TVOC试验液吸附基本呈上升趋势，说明随着温度的升高加速了吸附质从流体主体上的扩散，从而在单位时间内增加了外扩散和内扩散的量；在25～30 ℃时竹炭的吸附率呈下降趋势，可能由于随着温度的进一步升高，虽然增加了吸附质扩散的量但也增大了竹炭上被吸附物质的反扩散活性，使得其外表面上的吸附质更多地反释放出来，反而降低了竹炭的吸附率；随着温度继续升高，竹炭的吸附率又逐步上升。产生这一现象的原因可能由于更高的温度增加了更多的吸附质扩散，极大程度上增加了竹炭内表面吸附的量，从一定程度上减少了外表面反释放的影响。

图5 不同温度对竹炭试样2吸附率的影响

2.3 吸附时间对竹炭去除有害物质的影响

由于甲醛之类的吸附质在一般室温20℃以上就可以挥发，但速率很慢。如果室温在22 ℃左右，被检测家庭的甲醛释放量大多在临界值状态；如果室温超过28 ℃，甲醛的释放量会成倍增长。并且根据图4和图5中30 ℃为最低吸附量，本次吸附时间的影响研究选择25 ℃和30 ℃恒温下吸附甲醛、苯、TVOC试验液24 h、48 h、72 h、96 h、168 h，结果如图6～8所示。

图6 吸附时间对竹炭吸附甲醛的影响规律

将图6～8的试验数据进行曲线拟合，得到吸附率随吸附时间的曲线方程。经计算得出拐点所对应的横坐标即为竹炭除去单种有害物质的最佳持续吸附时间，具体见表1。本项试验中，假设三种吸附质的扩散速率和环境因素均相同，并取三者的平均值作为竹炭在实际使用过程中除去有害物质的最佳持续吸附时间，即25 ℃时，最佳持续吸附时间为5 d（117.07 h）；30 ℃时，最佳持续吸附时间为4 d（102.60 h）。

图7 吸附时间对竹炭吸附苯的影响规律

图8 吸附时间对竹炭吸附TVOC试验液的影响规律

表1 竹炭去除有害物质的最佳持续吸附时间

3 结语

本项研究分析了竹炭吸附有害物质的部分影响因素，发现竹炭对分子量大、沸点高、极性弱的TVOC试验液吸附性能更高；在20～25 ℃时竹炭对甲醛、苯、TVOC试验液吸附基本呈上升趋势；在25～30 ℃时竹炭的吸附率呈下降趋势；随着温度继续升高至35 ℃时，竹炭的吸附率又逐步上升。这一现象说明，温度对竹炭的吸附性能影响比较明显。竹炭在实际使用过程中除去有害物质的最佳持续吸附时间为4～5 d。由于每种吸附质的扩散情况、理化性能均不相同，彼此间的影响也更为复杂，竹炭在实际使用过程中除去有害物质的最佳持续吸附时间可能也存在着变化。另外，本项试验考虑的温度点也不足。这些将在今后的试验中再进一步探索研究，并希望本文对相关的标准制订提供一定的理论依据和数据参考。

[1]戚其平，徐东群，朱昌寿，等. 室内空气质量标准的研究[C]. 中华预防医学会第一届全国室内空气质量与健康学术研究会论文集. 北京∶ 北京出版社，2002.

[2]史德，苏广和. 室内空气质量对人体健康的影响[M]. 北京∶ 中国环境科学出版社， 2005.

[3]陈培珍，刘俊劭，江慧华.吸附法降低室内甲醛的研究[J]. 武夷学院学报.2012，31(2)∶33-36.

[4]程晓云，孙高琴，戚伟尧，等.竹炭对室内甲醛的吸附性能试验[J].浙江林业科技.2012，32(1)∶44-46.

[5]孙康， 蒋剑春.国内外活性炭的研究进展及发展趋势[J]. 林产化学与工业. 2009， 29(6)∶ 98-104.

[6]宋建飞.活性炭吸附VOCs及其构效关系研究[D].中南大学，2014.

[7]全国竹藤标准化技术委员会．GB/T 26900-2011空气净化用竹炭[S]. 北京：中国标准出版社，2011

图3 流出系数C的计算

参考文献：

[1]全国工业过程测量和控制标准化技术委员会第一分技术委员会.GB/T 2624.2-2006 [S].北京：中国标准出版社，2006.

[2]王东,郭淑梅,白岩,等. 差压式孔板流量计的误差来源与控制对策[J].天然气工业，2014；24(10)∶132-135.

[3]纪纲.流量测量仪表应用技巧，2版[M].北京：化学工业出版社，2009：16-17.

Abstract: This paper gives an example of an orifice-plate flowmeter to show the difference between the computational model and the simplified formula for the flow rate calculation. In the paper, three main influencing factors of the flow rate including aperture ratio, efflux and expansion coefficient are seperately analyzed, meanwhile the eliminating way is proposed.

Key words: orifice-plant flowmeter; flow integration meter; flow model; error analysis

Effect of temperature and adsorption time on removing harmful substances by bamboo charcoal

Li Qian1,2Wang Xiaoxu1
（1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，2.National Center of Supervision & Inspection on Building Materials and Decoration Materials Quality）

This study analyzes the effect of different temperatures and adsorption time on removing harmful substances by bamboo charcoal. Bamboo charcoal has better adsorption performance for TVOC test solution, which has large molecular weight, high boiling point and weak polarity. Temperiture has a significant impact on adsorption performance of bamboo charcoal. In practice, in order to remove harmful substances the optimal adsorption duration of bamboo charcoal is 4 to 5 days.

bamboo charcoal; harmful substances; adsorption; optimal adsorption duration

Error analysis between the simplified flow formula and the theoretical flow rate of an orifice-plate flowmeter

Zhong Yifeng, Xie Lili, Zhou Fang, Mu Zhijun
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）