室内甲醛降解新型生物材料的研究

陈一岩，高 铭

(1.河南应用技术职业学院，河南 郑州 450042 ; 2.河南工业大学，河南 郑州 450001)

0 前言

近年来，由于室内装修带来的空气污染问题和空气污染造成的负面案列层出不穷，人们对于甲醛的关注度逐年提升。例如2018年阿里员工租住的自如的甲醛房事件，人们谈甲醛而色变。现在人们对甲醛的危害早已熟知，但对于如何应对、解决室内污染却没有较好的方法[1-4]。

活性炭以其超强的吸附性能应用于众多行业中，尤其是对甲醛的吸附性能受到众多研究者的关注。活性炭的原材料多为煤炭，由于其再生的时效性使得活性炭的竞争优势受到一定的限制。以生物原料加工制成的生物炭正好弥补了此项缺点。现今生物质炭的原生材料类别广泛，许多皆是废弃物材料，可以源源不断地利用，是可再生的能源，而且制作门槛低、耗资少。与活性炭材料相比，生物炭材料的内外表面上有更多数量的孔洞和复杂的层隙结构，大大增加了与吸附物质接触到的面积，同时表面上还可承载大量的官能团，吸附效果不比活性炭材料差[5-9]。此外，生物炭还可作为土壤改良剂，在环境与农业方面作为多功能材料被大量使用，广受国内外科研人士的青睐[10]。利用河南地区农作物副产品——玉米芯为原材料，通过高锰酸钾对其进行改性，制成的改性生物质炭，既解决了农民副产物处理难的问题，又可以对甲醛进行高比例的去除；既避免了空气污染，又解决了室内甲醛的困扰，达到了废物利用、解决环境问题的目的。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

采用洛阳地区的玉米芯作为原料，此玉米芯具有韧性好、耐磨性强、吸水性好等特点。此外，玉米芯具有大量的不规则多孔结构，表面含有多种活性基团，可作为较好的吸附材料。实验仪器与试剂详情见表1、表2。

表1 实验仪器详情

表2 实验所用试剂

1.2 改性生物炭的制备

1.2.1炭化条件的选择

温度分别设置为550、650、750 ℃，时间设置为1、1.5、2 h，进行控制实验。在同一温度下，其他实验条件均设置相同，仅改变炭化时间，对玉米芯进行炭化处理，通过酚试剂利用分光光度计，来对实验已完成的不同炭化条件处理过的玉米芯炭进行甲醛吸附检测计算，结果见表3。

表3 不同炭化处理的材料吸附情况

计算公式如下：

式中：k，甲醛气体吸收效率，%；A，样品溶液吸光度；A0，空白溶液的吸光度。

玉米芯通常在炭化过程中受到炭化时间的影响较大，所以炭化条件对于生产的炭化玉米芯的吸附性能具有很大影响。实验数据表明，把玉米芯在650 ℃下炭化90 min，得到的玉米芯炭化材料吸附甲醛的吸附率最高，对生物玉米芯炭大规模生产具有指向性的作用。

1.2.2改性条件的选择

将制得的玉米芯炭准确称取5份，各5 g，分别放置于200 mL锥形瓶中，分别移取配置好的60 mL KMnO4溶液于锥形瓶中，高锰酸钾溶液的质量分数分别为0、1.5%、3%、4.5%和6%。随后，室温振荡3 h，过滤、干燥，进行甲醛吸附实验。得到的甲醛去除率如图1所示。

图1 不同浓度高锰酸钾改性材料后去除甲醛的效果

结果表明：采用质量分数为3%的高锰酸钾对玉米芯炭改性处理时，改性玉米芯炭的甲醛吸附量最大，去除甲醛效果最好，可达88.73%。以下实验所采用的改性玉米芯炭均采用3%高锰酸钾处理过的玉米芯炭。

2 吸附性能测试

2.1 测试准备

称量5 g的改性玉米芯炭材料(3%高锰酸钾浸泡)放于瓶底右侧的称量皿中，瓶底左侧放置甲醛溶液，干燥容器的总体积为8 L。上方用注射器进行空气采样，在左上方平衡气压球平衡气压的条件下进行实验。采集注射器内的气体，每间隔20 min对甲醛浓度进行检测。实验进行3次，根据实验得到的数据结果进行优化处理。实验装置见图2。

图2 甲醛吸附装置

实验准备过程，确保干燥器内甲醛含量<0.01 mg/L，瓶内温度与环境温度相差≤5 ℃，符合条件时，实验可以进行。

2.2 实验条件的确定

量取5组不同体积的标准甲醛溶液(浓度为10 mg/L)，体积分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mL，分别放于5个200 mL的锥形瓶中，再增添适量蒸馏水进行稀释，把移取的甲醛溶液的浓度稀释到标准甲醛溶液浓度的1/10，将200 mL锥形瓶中的已经稀释过的合适浓度的甲醛溶液放入到上述实验装置的盛放甲醛溶液的器皿中，干燥瓶中吸附材料器皿中投放改性玉米芯炭的质量为5 g，进行甲醛吸附实验。结果如图3所示。

图3 在初始甲醛浓度不同条件下吸附材料达到吸附平衡的时间

从图3可知，起始检测的初始气态甲醛浓度与称取的甲醛溶液浓度成正比，当吸附一定时间，随后干燥器内甲醛浓度较快达到平衡。从节省药品用量，减轻环境污染的目的出发，最好的实验过程是起始甲醛标准溶液的投入量应为0.25 mL，随后再进行蒸馏水的稀释，最终进行甲醛浓度检测试验。

2.3 影响因素的确定

2.3.1投加量对甲醛吸附量的影响

在以上实验装置中，把0.25 mL稀释过的甲醛溶液滴于培养皿中的脱脂棉上，称量皿中分别放入3、4、5、6、7、8 g改性玉米芯炭和未改性的玉米芯炭，进行甲醛吸附实验。投加吸附材料的质量、材料不同，会较大影响甲醛吸附的效果。吸附结果如图4所示。

图4 在吸附材料投加量不同条件下对甲醛吸附的影响

图4中的实验结果表明：随着投加量的增加，材料吸附效果在增大，但增大是有限度的。在改性玉米芯炭材料在投放量为5 g时，吸附值达到最高峰值，其吸附效果最好，最高峰值时的甲醛吸附量为2.84 mg/g；未改性玉米芯炭生物炭在投放量为6 g时，吸附效果最好为最高峰值，吸附量1.62 mg/g。

2.3.2吸附温度对甲醛吸附量的影响

把稀释过的甲醛溶液置于培养皿中，称量皿中分别放入5 g改性玉米芯炭和未改性的玉米芯炭5 g，分别在温度为5、10、15、20、25 ℃下进行甲醛吸附实验。实验结果如图5所示。

图5 吸附温度不同时对吸附材料吸附甲醛的影响

实验数据结果表明：实验的温度对于改性的玉米芯炭吸附甲醛的吸附效率有较大影响，在开始时，吸附量会随着温度的升高而变大，因为此时吸附材料的吸附活性较好。等温度过高时，甲醛吸附的效率反而逐渐下降。改性的玉米芯炭材料在实验温度为15 ℃时，达到了最高峰值，吸附甲醛的效果最高，为2.37 mg/g；未改性玉米芯炭通过实验在10 ℃时，达到最高峰值，吸附效果最好，为1.93 mg/g。

2.3.3甲醛初始浓度对吸附量的影响

移取一定体积的甲醛溶液，用适量的蒸馏水进行稀释，得到了6组浓度不同的甲醛初始溶液(每组的质量浓度依次是5、10、20、30、40、50 mg/L)，将不同组的甲醛初始溶液放置于溶液皿中，准确称取5 g改性玉米芯炭与5 g未改性玉米芯炭分别放入称量皿里，进行甲醛吸附实验。结果如图6所示。

图6 甲醛初始浓度不同时对吸附材料吸附量的影响

图6的实验数据表明：在初始浓度不同时，玉米芯炭吸附甲醛的吸附度随甲醛浓度变化较大，当玉米芯炭的固定的吸附量达到峰值时，吸附速率有所降低。当起始的甲醛溶液浓度为5 mg/L时，改性玉米芯炭的吸附量的值为1.37 mg/g，未改性玉米芯炭的吸附量为0.9 mg/g；当起始的甲醛溶液浓度为50 mg/L时，改性玉米芯炭的吸附量为2.73 mg/g，未改性玉米芯炭的吸附量为2.18 mg/g。

3 结论

在制备改性生物炭时，浸渍的高锰酸钾溶液质量分数为3%时，去除效率最高可达88.73%[8]。根据吴秋雨[11]的影响面实验，实验中不同甲醛的初始浓度对实验材料吸附甲醛的影响程度最高，而试验中不同的吸附温度影响甲醛的程度最少。此次依靠研究的实验数据，最终探索出最合适的降解吸附甲醛的条件：实验起始甲醛的质量浓度为0.3 g/L，环境温度为15 ℃，投加改性炭化玉米芯材料量为5 g时，吸附甲醛的效果最好。