家庭装修会造成室内环境污染，主要污染物是甲醛、苯等有机物，这些物质会对人体健康造成危害。本课题拟采用活性炭作吸附剂净化室内空气，寻求一种科学方法提高活性炭的吸附性能，以使净化过程更经济，操作简单，有利于推广使用。实验以甲醛为目标物质进行模拟研究，对比了粉末活性炭、颗粒活性炭、竹炭对甲醛治理的吸附效果，研究了改性活性炭对甲醛的吸附性能。通过对活性炭进行改性处理，大大提高了活性炭的吸附性能，能够有效地吸附甲醛，且吸附性能都超过了市场上吸附性能良好的竹炭。
1绪论
1.1室内空气污染物
1.1.1 组成与分类室内空气污染包括化学性污染、生物性污染和物理性污染。化学性污染是指因化学物质，如甲醛、苯系物、氨气、氡气等引起的污染。生物性污染是指因生物污染因子，包括细菌、病毒等引起的污染。物理性污染是指因物理因素，如噪声、电磁辐射等引起的污染。
室内空气污染尤以化学性污染最为突出，本研究侧重于化学性污染，特别关注“室内装修型”污染物，污染物主要包括甲醛、苯、甲苯和二甲苯之类有机化合物、挥发性有机化合物和氨等。
1.1.2室内污染物的危害室内污染物主要有：甲醛、苯及苯系物、总挥发有机化合物 TVOC、氨。其中甲醛的危害最为持久，影响最为严重。
（1）甲醛的来源：① 甲醛来源于合成树脂、油漆、塑料以及人造纤维、人造板工业中的脲醛树脂胶、三聚氰氨树脂胶、聚缩醛树脂、戊四醇醛树脂和酚醛树脂胶；② 室内装修或家具中使用的材料，诸如胶合板、细木工板、中密度纤维板、刨花板、贴墙布、壁纸、化纤地毯、油漆、涂料、粘合剂等均不同程度地含有甲醛或可水解为甲醛的化学物质。这些残留的或分解出来的甲醛会逐渐向周围环境中释放，最长释放期可达十几年。
（2）甲醛的危害：① 急性中毒：呼吸道强烈刺激，咽喉灼痛、呼吸困难、肺水肿； ② 慢性中毒：流泪、眼痒、嗓子干燥发痒、咳嗽、气喘、声音嘶哑、胸闷、皮肤搔痒；③ 长期低剂量接触：降低肌体免疫功能，引起神经衰弱，记忆力减退；呼吸道长期刺激，引发慢性呼吸道疾病，肺功能下降；④ 儿童和孕妇对甲醛尤为敏感，长期接触会引发妊娠综合症，造成新生儿染色体异常、白血病。
1.2室内污染物的去除与防治方法
目前，国内外采用了多种方法来治理室内空气污染，在日本、加拿大、美国等地，治理室内污染的产品也是2002年才开始兴起，而且各种方法在特定的环境下都有其优缺点。治理方法总的概括有：感觉的脱臭法、化学反应法、吸附法、植物净化法和生化处理法。本课题研究的主要是吸附法。
吸附是一种固体表面现象。它是利用多孔性固体吸附剂处理气态污染物，使其中的一种或几种组分，在固体吸附剂表面，在分子引力或化学键力的作用下，被吸附在固体表面，从而达到分离的目的。常用的吸附剂有活性炭、活性氧化铝、分子筛、硅胶和竹炭。由于活性炭本身在常温下易吸附，若对活性炭添加适当的化学试剂，使得活性炭既有物理吸附，又有化学吸附因而本课题研究主要用的吸附剂是活性碳和竹炭。
1.3研究内容
（1）对比几种不同来源活性炭的吸附性能；（2）研究活性炭的改性方法；（3）对活性炭改性处理，取得最佳吸附效果；（4）对比目前最佳市售活性炭与改性后活性炭的吸附效果
2实验方案的确定
2.1实验装置
将50mL甲醛溶液放入锥形瓶（500mL）中，挥发出的甲醛溶液气体通过装有活性碳的圆筒型玻璃管（直径=25mm，长度=200mm），尾部接一个装有蒸馏水的试管（规格25×200mm），整个装置由玻璃细管连接，连接处由凡士林密封，整个反应密封进行，试验装置如图1。
2.2技术路线的确定
甲醛从锥形瓶里挥发出来，通过玻璃导管被净化装置里的吸附剂吸附，未被吸附剂吸附甲醛进入收集装置。在吸附剂吸附甲醛的过程中，每经过一段时间，测量净化装置的质量，通过作差得出，每相邻的两个时间段净化装置的质量差，即为此时间段吸附甲醛的质量。
吸附剂采用有四类：粉末活性炭、颗粒活性炭、改性活性炭和竹炭。
图1实验装置图
2.3活性炭改性方法
A: 改性方法一般有三种：酸改性、碱改性、酸碱改性。
酸改性法：原料炭选择价廉的果壳活性炭进行改性处理，将果壳活性炭用一定浓度的HCl水溶液常温下浸渍，浸渍一定时间后洗至中性，一定温度下恒温干燥数小时制成酸改性样品。
碱改性法：将果壳活性炭用一定浓度的NaOH水溶液常温下浸渍一定时间后洗至中性，一定温度下恒温干燥数小时制成碱改性样品。
酸碱改性法：将原料活性炭用制备酸改性样品的方法处理后再用制备碱改性样品的方法处理制成酸碱改性样品。
采用酸、碱特殊处理，可溶去一些活性炭中的杂质，提高活性炭的质量。采用非氧化性酸HCl配制一定浓度的酸改性液和较便宜的NaOH配制一定浓度的碱改性液作为处理剂。
通过研读文献资料，在相同条件下，用酸液和碱液交替浸渍活性炭的效果最好，所以本实验采用这种方法改性活性炭，这种改性方法对苯的吸附效果良好
B: 还可以将活性炭放入碳酸钠溶液中浸渍一定时间，再在亚硫酸氢钠的溶液中浸渍一定时间，而后经晾干，在70~80℃下干燥一定时间制成碳酸钠和亚硫酸氢钠活化的活性炭。这种方法改性的活性炭对甲醛的吸附机理发生变化，即由物理吸附转变为以化学吸附为主，伴随有物理吸附的复合吸附，从而使吸附值大为提高。可能是由于以碳酸钠为主的复合改性剂的加入，改变了活性炭的酸碱性和氧化性,激发了其内表面能量，而亚硫酸氢钠的加入可使甲醛发生反应生成α- 羟基磺酸钠。由图可以看出，改性后的活性炭表面微孔增大，表面粘附了很多化学物质，从而增加其对甲醛的吸附容量。
图2改性活性炭微孔图
3实验分析方法
3.1甲醛浓度测定
甲醛的测定方法有酚试剂比色法、乙酰丙酮比色法、变色酸比色法、盐酸副玫瑰苯胺比色法、4－氨基－3－联氨－5－巯基－1，2，4－三氮杂茂（简称AHMT）比色法等化学方法。仪器法有微分脉冲极谱法、高效液相色谱法和气相色谱法。
根据实验需要与简便考虑，选择酸碱滴定法测定。
（1）试剂。硫酸标准溶液（AR 0.5mol·l –1)，百里香酚蓝指示剂，0.1%乙醇溶液，移液管5ml、10ml、25ml，亚硫酸钠溶液（AR 1mol·l-1），福尔马林试样。
（2）仪器。酸式滴定管50ml，量筒10ml、100ml，移液管5ml、10ml、25ml，胶头滴管，烧杯。
（3）原理。甲醛与中型亚硫酸钠作用生成α羟基磺酸钠和一分子氢氧化钠，以百里香酚蓝为指示剂，用硫酸标准溶液滴定反应生成的氢氧化钠，根据硫酸标准溶液的消耗量计算出试样中甲醛的含量。
反应如下式：
HCHO + Na2SO3 + H2O = H2 C－SO3Na + NaOH
OH
2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 +2H2O
（4）实验步骤。取50mL1mol·l-1亚硫酸钠溶液于250mL锥形瓶中，加3滴百里香酚蓝指示剂，用0.5mol·L-1硫酸标准溶液中和至蓝色消失（不记录所消耗的硫酸标准溶液的体积）。
取3mL福尔马林溶液于锥形瓶中，再用0.5mol·L-1硫酸标准溶液滴至蓝色消失为终点。
滴定得到甲醛的浓度。
3.2称量法测定吸附量
操作方法：在室温下准确称取活性炭2g，用塑料挡板将活性炭横向堆积满玻璃管中，称量炭和管的总重量，以1.5小时为一个测量点用电子天平测定吸附量。
3.3仪器、设备与药品
3.3.1仪器（1）电子天平；（2）电热鼓风干燥箱。
3.3.2药品
（1）改性药品。方法A：HCl溶液，NaOH溶液；方法B：碳酸钠溶液，亚硫酸氢钠溶液。
（2）其它药品。硫酸标准溶液0.5molL-1，百里香酚蓝指示剂0.1%乙醇溶液，亚硫酸钠溶液1mol.·L-1，福尔马林试剂。
3.3.3器皿酸式滴定管50mL，量筒10mL、100mL，移液管5mL、10mL、25mL，胶头滴管，烧杯，容量瓶100mL、250mL，圆筒玻璃管、锥形瓶250mL、500mL。
4实验内容及分析
4.1改性前对甲醛的吸附效果
在20℃和25℃条件下分别测定活性炭对甲醛的吸附量，并与竹炭的吸附量作比较。实验中发现颗粒活性炭吸附甲醛的效果不明显，所以不采用颗粒活性炭，分析原因可能由于颗粒活性炭孔径较大，微孔多的活性炭倾向于吸附小分子，大孔多的活性炭倾向于吸附较大的分子。甲醛溶液中有甲醛分子和水分子，甲醛分子直径是0.45nm，水分子直径是0.324nm，直径都比较小，颗粒活性炭的粒径比较大，对甲醛的吸附效果不好，所以不采用颗粒活性炭。
（1）20℃吸附甲醛。在20℃条件下分别用粉末活性炭、竹炭对甲醛进行吸附，并且以1.5小时为一个测量点，测定吸附量并进行比较，如图3。
由图3可以看出，在室温20℃下，竹炭对甲醛的吸附量大于粉末活性炭对甲醛的吸附量，竹炭在28.5小时达到吸附平衡，饱和吸附总量为0.0187g甲醛/g竹炭；经过30小时的吸附粉末活性炭的吸附没有饱和，30小时的吸附总量为0.0103g甲醛/g粉末活性炭。
（2）25℃吸附甲醛。在25℃条件下分别用粉末活性炭、竹炭对甲醛进行吸附，并且以1.5小时为一个测量点，测定吸附量并进行比较，如图4。
图3 20℃吸附剂对甲醛溶液的吸附
图4 25℃吸附剂对甲醛溶液的吸附数据
由图4知，温度升高到25℃时，竹炭的吸附量仍然高于活性炭，粉末活性炭在28.5小时达到吸附饱和，饱和吸附总量为0.0105g甲醛/g粉末活性炭，经过30小时的吸附，活性炭的吸附趋于饱和，而竹炭仍然保持较高的吸附增长，30小时的吸附总量为0.0147g甲醛/g竹炭。
（3）20℃和25℃吸附剂对甲醛的吸附。比较20℃和25℃粉末活性炭对甲醛的吸附量，研究温度因素对活性炭吸附甲醛的影响，如图5。
图5 不同温度吸附剂对甲醛溶液的吸附数据
由图可知，20℃条件下粉末活性炭对甲醛的吸附量大于25℃相同条件下对甲醛的吸附，经过30小时的吸附，25℃时活性炭吸附量出现下降趋势。提高温度可以造成两种结果，第一：从吸附剂角度考虑，温度影响扩散速率和吸附平衡，扩散速率与黏率有关，提高温度会提高扩散速率，而达到平衡加快，但最终吸附量也降低；第二，提高温度同时也加大甲醛的蒸发量，甲醛的流量也加大了，对于同种物质，气体流量越大，则透过时间越短，吸附量也越大，活性炭基本可以看成是一种非极性的吸附剂，对非极性物质的吸附能力大于极性物质，对于甲醛溶液来说，沸点不是很高，是极性物质，且纯度是用的25%的甲醛溶液。所以对于甲醛来说，可能第一种情况的影响可能大于第二种情况，所以升高温度，吸附剂对甲醛的吸附效果降低。
4.2改性实验
4.2.1改性方法A此改性方法通过对活性炭进行酸碱改性处理，溶去活性炭中的酸碱可溶物质，同时不破坏活性炭的骨架结构，而达到大大提高活性炭比表面积及吸附量。
原料炭选择价廉的果壳活性炭(即前面提到的粉末和颗粒活性炭)进行改性处理，将果壳活性炭用10%浓度的HCL水溶液常温下浸渍，浸渍6（或3）小时后洗至中性，再用一定浓度的NaOH 水溶液常温下浸渍6（或3）小时后洗至中性，一定温度下恒温干燥数小时制成酸碱改性样品。总改性时间为12（或6）小时。
对甲醛的吸附效果：
图6 改性活性炭对甲醛的吸附
由图6可以看出，经改性方法A处理的粉末活性炭吸附甲醛的效果不好，反而低于未改性的活性炭和竹炭，分析原因可能对于甲醛来说，由于pH值不适宜甲醛吸附，导致吸附量下降。一般在较低pH值下有较佳的吸附，随溶液pH值的增加而降低，pH值高于9.0时，不易吸附，pH值越低时效果越好。因此粉末活性炭对甲醛吸附不能采用这种改性方法。
4.2.2改性方法B将粉末和颗粒活性炭放入碳酸钠溶液中浸渍1小时，再在溶液中浸渍1小时，而后晾干，在70~80℃下干燥一定时间制成碳酸钠和亚硫酸氢钠活化的活性炭，这种方法是使活性炭的吸附由物理吸附转变为化学吸附为主，伴随有物理吸附的复合吸附。
改性方法B对甲醛的吸附：
在室温20℃条件下，改性活性炭对甲醛的吸附，如图7。
图 7改性活性炭对甲醛的吸附量及比较
由图7可以看出，在室温20℃条件下，改性粉末活性炭对甲醛的吸附效果非常明显；对甲醛的吸附一直保持上升趋势，经30小时吸附甲醛总量可达0.0201g甲醛/g改性粉末活性炭，高于竹炭和未改性前活性炭对甲醛的吸附量。
两种改性方法对甲醛溶液的吸附，如图8。
图8 改性活性炭、竹炭对甲醛溶液吸附数据
注：改性活性炭1是指用改性方法A获得的活性炭，改性活性炭2是指用改性方法B获得的活性炭
由图8可知，经方法B改性的粉末活性炭对甲醛的吸附（30小时总吸附量为0.0201g甲醛/g改性粉末活性炭）要好于经方法A改性的粉末活性炭（30小时总吸附量为0.0115g甲醛/g改性粉末活性炭），且方法B改性的粉末活性炭对甲醛的吸附远远好于竹炭（28.5小时总吸附量为0.0103 g甲醛/g竹炭），吸附量增加；经方法A改性的颗粒活性炭（30小时总吸附量为0.015g甲醛/g改性颗粒活性炭）对甲醛的吸附要好于经方法B改性的颗粒活性炭（30小时总吸附量为0.0144g甲醛/g改性颗粒活性炭），且方法A改性的粉末活性炭对甲醛的吸附好于竹炭，吸附量增加。改性粉末活性炭B的吸附效果比较好，吸附量一直保持上升，活性炭改性后对甲醛的吸附机理发生变化，即由物理吸附转变为以化学吸附为主，伴随有物理吸附的复合吸附，从而使吸附值大为提高。
5结论
（1）实验比较了颗粒活性炭、粉末活性炭、竹炭对甲醛的吸附性能。粉末活性炭对甲醛的吸附总量为0.0103g甲醛/g粉末活性炭；竹炭对苯的饱和吸附量对甲醛的吸附量为0.0187g甲醛/g竹炭，竹炭的吸附性能最好。
（2）测定了不同温度下颗粒活性炭、粉末活性炭与竹炭对甲醛的吸附量。实验表明：20℃时三种吸附剂对甲醛的吸附皆高于25℃时对甲醛的吸附。
（3）改性实验表明，通过改性方法B改性的粉末活性炭对甲醛的吸附效果良好，30小时对甲醛的吸附总量为0.0201g甲醛/g改性粉末活性炭，超过了竹炭对甲醛的吸附量0.0103 g甲醛/g竹炭。
（4）本研究证明，通过对活性炭进行改性处理，可以获得吸附能力强的挥发性有机物净化剂，实现室内空气污染物的净化。
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