一种定量表征海泡石气体吸附性能的检测方法研究

2021-08-29欧阳东红周清椿喻浩然杨靖源

中国非金属矿工业导刊 2021年4期

欧阳东红，周清椿，喻浩然，杨靖源

(1.湘潭海泡石科技有限公司湖南省海泡石资源高效利用工程技术研究中心，湖南湘潭 411100；2.中国非金属矿工业协会，北京 100022)

海泡石是一种含水富镁硅酸盐天然黏土矿物，在其晶体结构单元中，硅氧四面体和镁氧八面体相互交替，具有层状和链状的过渡型结构特征，有许多与纤维延长方向一致的管状贯穿通[1]。这种特殊的结构使得海泡石具有大的比表面积和孔容积，有贯穿整个结构的通道和孔隙，表面还存在三类活性中心[2]，能与吸附物之间形成作用力，这些特征让海泡石具备了良好的吸附能力，使其能吸附大部分的化合物尤其是极性化合物[3-6]。目前利用海泡石优良的吸附性能开发的空气净化产品大量出现，单靠传统的比表面积来间接表征吸附性能已难以适应要求；市面上的全自动智能重量法蒸汽/气体吸附分析仪虽然也能准确表征吸附效果，但是设备价格较贵。因此，本文开发和应用了一种成本低、操作简单、直接、准确地定量表征海泡石气体吸附容量的分析方法，为海泡石用于空气净化吸附材料提供合理的试验基础。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

海泡石颗粒：湘潭海泡石科技有限公司。四氯化碳：分析纯；氨水：25%～28%；甲醛：36%～ 38%；三甲胺：33%；二氯甲烷、乙酸甲酯、甲醇、乙醇：分析纯；乙酸乙酯：化学纯；振荡器：JNJZ-2。

1.2 吸附容量测定原理

由空气压缩机提供的空气源经过浓硫酸、无水氯化钙过滤除杂，空气瓶缓冲后进入气体发生瓶，带动吸附质气体共同通过毛细管柱，通过控制压差来调节吸附质气体的流量，最后进入装有海泡石颗粒的测定管中，吸附120min后，对比吸附前后海泡石颗粒的质量，从而得出其吸附容量。

1.3 吸附性能的测定方法[7]

将装置各部件和安装好的仪器进行气密检查(图1)。称量测定管空管的重量，将(20±0.2)g海泡石颗粒分两至三次装入测定管中，通过振荡器振实，然后在盖口处涂凡士林进行密封，将装好并称量的测定管与仪器连通，垂直放入恒温水浴中，打开空气压缩机和发生瓶活塞，至气体发生瓶中产生气泡时开始计时，同时调节好压差至指定数值，通气120min后，取下测定管，关闭压缩空气，称取吸附后的测定管总重，吸附前后测定管的质量差即为海泡石颗粒的气体吸附量。

图1 吸附容量实验装置图

1.4 吸附容量的计算

将测得样品吸附甲醛气体前后的质量差，用以下公式计算：吸附容量=(mt-m0)/(my-mk)×100，式中：mt—试验后测定管和样品的质量(g)；m0—试验前测定管和样品的质量(g)；my—测定管和海泡石样品的质量(g)；mk—空测定管的质量(g)。两份平行样品各测定一次，允许误差应小于10%，结果以算术平均值表示，精确至0.1mg/g[8]。

2 试验结果与分析

2.1 不同吸附质气体对海泡石颗粒吸附性能的影响

吸附质气体的选取要求是沸点低于100℃的易挥发的有机物，在确保其他试验条件相同的情况下，不同的吸附质气体对海泡石颗粒的吸附能力有较大的影响(表1)。

表1 不同吸附质气体对海泡石颗粒吸附性能的影响

最终确定利用乙酸乙酯作为吸附质气体来表征海泡石颗粒的吸附性能，原因有以下几点：①乙酸乙酯为极性有机化合物，相比于非极性的物质如四氯化碳，更有利于海泡石的吸附；②乙酸乙酯的分子直径为0.67nm，而甲醛、苯、甲苯等空气污染物的分子直径均小于乙酸乙酯，海泡石能吸附乙酸乙酯，自然分子直径小于乙酸乙酯的物质也能进入海泡石的孔道被其吸附，因此海泡石颗粒对乙酸乙酯的吸附能力能直接表示其对空气中主要污染物的吸附能力[9]；③乙酸乙酯相比于甲醛等有害物质毒性较低，对于操作人员有利；④二氯甲烷(39.8℃)等低沸点的有机物，为保证其挥发浓度不至于过高造成危险，必须将气体发生瓶的温度控制至0℃附近，而乙酸乙酯的沸点为77℃，较高的沸点使得其发生瓶温度保持在室温，其气体浓度也不会过高，从而使得试验操作过程更简便；⑤海泡石对水有较强的吸附能力，而市面上甲醛、三甲胺等都是以溶液的形式存在，难以排除其中水的干扰，而一般乙酸乙酯的纯度都在99.5%以上，来源广泛，不需要考虑杂质的影响，试验结果准确。

2.2 不同气体发生瓶温度对海泡石颗粒吸附性能的影响

在确保吸附剂用量相同的情况下，气体发生瓶的温度不同，海泡石空气净化剂的吸附容量就不同(表2)，当发生瓶温度为20℃时，其效果最好，2h海泡石颗粒的气体吸附容量达到158.9mg/g，且对同一个样品、同一个温度、同一根测定管进行了平行试验，其测定结果误差在10%以内。

2.3 不同吸附温度对海泡石颗粒吸附性能的影响

在确保吸附剂用量相同、发生瓶温度为20℃的情况下(表3)，测定管吸附的温度不同，海泡石颗粒的气体吸附容量就不同，当测定管吸附温度为10℃时，其效果最好。

表3 不同吸附温度对海泡石颗粒吸附性能的影响

2.4 不同毛细管比速(压差)对海泡石颗粒吸附性能的影响

通过计量单位的检定，该款毛细管流量计的压差范围为59～140mm之间，气体流量控制在此压差范围内得出的结果准确，压差是根据比速和测定管截面积计算所得[10]。在确保吸附剂用量相同、发生瓶温度为20℃、测定管温度为10℃的条件下(表4)，压差不同，海泡石颗粒的气体吸附容量就不同，当毛细管流量计的比速为0.65L/(min·cm2)时，根据不同的测定管面积，其压差分别为120mm、133mm、123mm、136mm，其效果最好，2h海泡石空气净化剂的吸附容量达到184.3mg/g、178.5mg/g、172.3mg/g、160.0mg/g，且同一个样品不同的测定管，其测定结果误差在15%以内。

表4 不同的压差对于海泡石颗粒吸附性能的影响

2.5 海泡石颗粒尺寸对吸附性能的影响

海泡石颗粒尺寸以区间表示，表示所有的颗粒尺寸均在此粒径范围内，颗粒百分含量为100%。不同尺寸海泡石颗粒对其吸附性能有影响(表5)，颗粒直径为1～1.5mm时，其吸附效果越好，2h乙酸乙酯吸附容量达到184.3mg/g，效果最优。

表5 海泡石颗粒尺寸对吸附性能的影响

2.6 压缩空气对海泡石吸附性能的影响

在不通入乙酸乙酯的情况下，考察不同海泡石颗粒对压缩空气的吸附效果(表6)。1.5～2.5mm和1～ 1.5mm海泡石颗粒在相同的条件下的乙酸乙酯吸附容量分别为184.3mg/g和181.1mg/g，而其单纯对压缩空气的吸附最大量为10.9mg/g和16.8mg/g，相对总体的吸附容量而言其占比很少，故将其忽略。主要原因是压缩空气的主要成分是N2和O2，为非极性分子，海泡石对非极性分子的吸附量很小。

表6 压缩空气对海泡石吸附性能的影响

2.7 吸附时间对海泡石吸附性能的影响

在确保发生瓶温度为20℃、测定管温度为10℃、毛细管比速为0.65L/(min·cm2)的条件下(表7)，对同一个样品、同一个温度、同一根测定管进行了连续试验，当吸附时间为2h时，其乙酸乙酯的吸附容量为184.3mg/g，随着时间的增加，其吸附容量基本没有变化，说明在此试验条件下趋于饱和。考虑到时间和成本，为了更便捷及时地指导企业生产，确定吸附时间为2h最合适。