齐齐哈尔市质量技术监督检验检测中心 黑龙江齐齐哈尔 161000
摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，基于活性炭纤维、甲醛与水蒸气之间的竞争性吸附原理，探讨活性炭纤维的甲醛吸附性能评价的新方法。研究了活性炭纤维的使用量、吸附温度以及时间对活性炭纤维对吸附甲醛能力的影响。试验结果表明，当活性炭纤维的使用量为0.10g，测试温度为65℃，测试时间为4h时，能较为客观评估活性炭纤维的甲醛吸附性能。在此基础上，研究了4种活性炭纤维材料的吸附性能。认为：活性炭纤维的微孔比表面积越大，其产生的吸附力越大，甲醛吸附性能越好。
关键词：活性炭纤维；ACF；甲醛；吸附性能；微孔结构；比表面积
引言
活性炭纤维（ＡＣＦ）是经过活化的含碳纤维，将某种含碳纤维（如酚醛基纤维、聚丙烯腈基纤维、黏胶基纤维、沥青基纤维等）经过高温活化（不同的活化方法活化温度不同），使其表面产生纳米级的孔径，增加比表面积，从而改变其物化特性。ＡＣＦ是继广泛使用的粉末活性炭、颗粒活性炭之后的第三代新型吸附材料，它是以纤维为原料制成的，具有比表面积大、孔径适中、分布均匀、吸附速度快、杂质少等优点，被广泛应用于水净化、空气净化、航空、军事、核工业、食品等行业。但传统ＡＣＦ存在特异吸附性不强、效率低的缺点，因此，一些研究者通过改性来提高其性能。ＡＣＦ的主要改性方法有孔结构调整和表面化学改性两种途径。孔结构调整一般在ＡＣＦ制备过程中进行，通过增加孔体积和比表面积来增加其物理吸附量；表面化学改性主要通过各种改性技术使ＡＣＦ形成表面官能团，来增加其化学吸附量。ＡＣＦ表面官能团的种类、数量对其吸附和催化性能的影响较大，目前ＡＣＦ表面改性技术主要有化学溶液浸渍、高温热处理、化学气相沉淀、电极氧化、微波处理、气相反应和低温等离子体等。
1简介
甲醛（formaldehyde，HCHO）俗称蚁醛，近年来成为室内空气中一种最为常见的挥发有机物，可以诱导各组织器官的氧化损伤，诱发肿瘤，基因突变等各种疾病。长期接触可使人精神萎靡不振、记忆力减退。因此，如何有效地去除室内空气中的甲醛已成为当前研究的热点。活性炭纤维（ActivatedCarbonFibers，ACF）是第三代高效活性吸附材料，其含碳量高，比表面积大，微孔丰富，因此有较大的吸附量和较快的吸附能力。本文以净化室内空气中的甲醛为对象，考察ACF的吸附性能，为吸附技术在室内空气净化领域应用提供一定的参考价值。本文分别考察温度、湿度和时间对ACF吸附室内甲醛的影响，为ACF吸附甲醛的应用提供理论基础。
2活性炭纤维的甲醛吸附性能研究
2.1试验材料
粘胶基ACF（KJF⁃1800、STF⁃1500、STF⁃1300、STF⁃1000）；37%甲醛水溶液（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；甲醛标准溶液（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；乙酰丙酮（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；乙酸铵（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；冰乙酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。
2.2仪器和药品
实验仪器：甲醛检测仪（PPM-400，英国PPM公司）；马弗炉；微量进样器温、湿度测量仪；电热式蒸汽加湿器；除湿机；微型循环泵。实验药品和试剂：活性炭纤维（sY1600，南通森友碳纤维有限公司）甲醛溶液（AR）；自制双重蒸馏水。
2.3甲醛含量的测定
甲醛含量的测定具体参照GB/T2912.2—2009。
将甲醛标准溶液（100mg/L）稀释一定的倍数，配制甲醛浓度分别为1mg/L、2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L、12mg/L、14mg/L的标准样品溶液，经乙酰丙酮显色后测定其在412nm波长处的吸光度值。
3结果和讨论
3.1时间因素对活性炭纤维吸附的影响
控制温度为25℃，湿度为50%，模拟甲醛初始浓度为0.5mg/m3，吸附脱除时间为120min，前一个小时每15min测一次甲醛的浓度。ACF对甲醛的吸附速度很快，15min前ACF对甲醛的吸附速度极快，60min后对甲醛的吸附就基本达到平衡。实验结果表明ACF对甲醛有极快的吸附速率，吸附能力较强。ACF表面有大量的微孔，孔径分布均匀比表面积大，吸附速度快，阻力较小，因此ACF对甲醛吸附非常迅速。
3.2ＴｉＯ２改性
利用自制光催化气体反应器体系，以ＡＣＦ负载ＴｉＯ２作催化剂，在紫外光照射下模拟降解室内污染气体甲醛，探讨了甲醛降解率的主要影响因素。结果表明，ＡＣＦ与ＴｉＯ２的协同作用大大提高了对甲醛的降解效果；紫外光强增倍对提高甲醛降解率有一定促进作用，但提高幅度仅为１１．７１％；ＡＣＦ用ｐＨ＝５的ＴｉＯ２溶胶浸泡后，对甲醛的降解效果最好，６０ｍｉｎ内降解率达到６８．３７％；反应器内的湿度为８１％时，甲醛的降解率最高，反应６０ｍｉｎ后降解率达８２．２％；但随着反应时间的延长，甲醛降解率的上升幅度不断减小，最高只能达到９４．５９％。采用纳米ＴｉＯ２对ＡＣＦ进行改性，制备出具有光催化作用的ＴｉＯ２／ＡＣＦ材料。甲醛静态吸附实验表明，ＴｉＯ２／ＡＣＦ在１０５ｍｉｎ时对甲醛的降解率为９２％，高于单独使用ＡＣＦ或者ＴｉＯ２的降解率。在无光照的条件下，９０ｍｉｎ时ＴｉＯ２／ＡＣＦ对甲醛的降解率仅为４８％，在１５Ｗ和３０Ｗ紫外光照射下降解率高达到了９５％以上，其中３０Ｗ紫外光照射下降解率较高。
3.3评价方法的建立与优化
首先，取一定质量的ACF进行甲醛饱和吸附，然后以水蒸气解吸吸附的甲醛，通过测定水中甲醛含量来定量评价其甲醛吸附性能。该方法主要是基于ACF、甲醛和水蒸气之间的竞争性吸附原理。研究表明，在潮湿条件下，随着相对湿度的增加，ACF的甲醛吸附性能显著降低。这是因为ACF在潮湿条件下，会优先吸附水分子而不是甲醛分子。甲醛和水蒸气在多孔介质中的相互作用主要有3种途径：一是水蒸气与甲醛在裸露孔表面的竞争性吸附；二是在相对湿度为50%或更高时，微孔会被毛细管冷凝作用所阻塞，从而降低了表面孔对甲醛的吸附；三是环境中的水会吸附亲水性的甲醛分子。
结语
实验结果表明，吸附时间、温度和湿度等因素对ACF吸附甲醛的性能有较大的影响。ACF对甲醛的吸附速度很快，吸附前15min活性炭纤维对甲醛的吸附速度极快，60min后吸附就基本达到平衡；温度越低，吸附效果越好，活性炭纤维吸附剂在温度15℃时对甲醛吸附脱除率最好。
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