三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附動力學研究

程秀蓮，宋恩軍，任廣軍，周 琦，霸書紅

（1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附動力學研究

程秀蓮1，宋恩軍2，任廣軍2，周 琦2，霸書紅1

（1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

在真空干燥器中，加入一定量待測氣體的水溶液，保持真空干燥器中待測氣體濃度恒定。利用此裝置研究了氨氣濃度、三聚磷酸二氫鋁吸附大氣和水蒸氣后，對三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣動力學的影響。結果表明，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣，可用一級動力學方程和Elovich動力學方程模型描述；氨水濃度對吸附量和平衡吸附時間有顯著影響；三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，對吸附量和平衡吸附時間無影響；三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣后，對吸附量和平衡吸附時間均有影響。

三聚磷酸二氫鋁；吸附；氨；動力學

前 言

氨通常以氣體形式吸入人體，容易通過肺泡進入血液，與血紅蛋白結合，破壞運氧功能，對人體造成傷害。國家衛生部1996年頒布的公共場所衛生標準制定了《理發店、美容店衛生標準》,其中規定，空氣中氨氣不超過0.5mg/m3，衛生部衛法監發[2001]255號文件頒布了《室內空氣質量衛生規范》,規定室內空氣中氨濃度限量值為0.2mg/m3。

在美發行業氨作為發用化妝品（包括染發劑、冷燙精）中的原料起到調節pH值的重要作用，屬中華人民共和國衛生部《化妝品衛生規范》規定的化妝品限用物質。氨在染、燙發過程中可完全揮發到空氣中，使用量大時，室內空氣中氨的濃度能達到非常高的濃度，可對消費者、特別是工作人員造成極大的人體傷害。現行的美發店因房間面積小，大多數室內空氣中氨皆超過國家規定的標準[1]。

安平平等[2]報道哈爾濱市裝修住宅氨超標率為57.3%,超過3倍以上的占總數40.9%,最高值超過國家4.1倍；黑河市在裝修后2個月內,室內氨氣普遍超標,甚至達到100%,8個月之內氨氣超標率也比較高；長春市室內空氣氨超標率達到79.4%。室內氨污染主要來自建筑施工中使用的混凝土外加劑[3]和室內裝飾材料,比如家具涂飾時所用的添加劑和增白劑大部分都用氨水,它的揮發造成室內空氣污染。

目前，對美發室內氨污染多是采用自然通風和機械通風等排放方式；一般住宅只能以開窗通風來減輕氨污染，對于東北地區冬季，是不能保證安全的；多數高檔寫字樓為密閉式設計，通風條件很差，大面積的玻璃幕墻根本無窗可開，即便開窗，因為開度有限也很難達到通風的目的。只有將空氣中的氨去除，才能從根本上解決由于空氣不流通而使氨污染加重的問題。

三聚磷酸二氫鋁(AlH2P3O10·2H2O)是酸強度弱而酸性度大的固體酸,難溶于水，且具有層狀結構。層狀結構使其有利于與氣相或液相中的分子結合或交換。近年來，白麗娟等進行了三聚磷酸二氫鋁用于吸附銅、鋅、鉛等離子的動力學研究[4-6]，袁愛群等進行了三聚磷酸二氫鋁用于吸附氨氣等堿性氣體的研究[7]，但未見三聚磷酸二氫鋁吸附氣體的動力學研究，本文主要研究了三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣的動力學。吸附動力學主要研究被吸附物質濃度等外界條件對吸附速度的影響，為確定吸附劑的使用條件和時間奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

101—1A電熱干燥箱：寧波自動化儀表廠；JA 5003電子天平：上海電子天平廠；真空干燥器等。三聚磷酸二氫鋁：自制;氨水：NH3·H2O含量≥25%～28%，沈陽市東陵區精細化學廠。

1.2 實驗方法

（1）對氨氣和水蒸汽吸附量測定

將一定濃度適量的氨水或水放入真空干燥器中，關閉活塞，在其中形成氨氣或水蒸氣的飽和氣相。將三聚磷酸二氫鋁于120℃烘干至恒重，迅速準確稱取2.000g三聚磷酸二氫鋁，將其均勻地鋪在75mm的培養皿中，放入充滿飽和氨氣或水蒸汽的干燥器中。定時稱量三聚磷酸二氫鋁質量，計算質量變化量。

（2）對空氣吸附量測定

將三聚磷酸二氫鋁于120℃烘干至恒重，迅速準確稱取2.000g三聚磷酸二氫鋁，將其均勻地鋪在75mm的培養皿中，放入真空干燥器中，打開活塞，保持與大氣相通。定時稱量三聚磷酸二氫鋁質量，計算質量變化量。

2 結果與分析

2.1 氨濃度對三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣性能的影響

2.1.1 對吸附量和平衡吸附時間的影響

配置20%和25%氨水各200mL,在兩個干燥器中分別加入相同量的20%和25%氨水，再加入2.000g干燥的三聚磷酸二氫鋁，在室溫下，測定不同時間三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附量，其數據見圖1。

圖1 氨水濃度和吸附時間與吸附量的關系Fig.1 Effect of ammonia concentration on adsorption time and adsorption capacity

由圖1中實驗數據可知，氨水濃度提高了5%，飽和吸附量提高了120mg/g,達到平衡吸附時間縮短了72h。因此，氨水濃度對對吸附量和平衡吸附時間有顯著影響。三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附是可逆吸附。

2.1.2 對吸附動力學的影響

常見動力學方程的微分式和積分式見表1。

表1 常見動力學方程的微分式和積分式Table 1 Differential and integral representations of common kinetics equations

對圖1中的實驗數據分別進行一級動力學方程、二級吸附動力學方程和Elovich動力學方程積分式的線性擬合，用最小二乘法檢驗其線性相關性，通過直線的斜率和截距計算得到的動力學參數，其結果見表2。

表2 各動力學方程積分式和相關系數Table 2 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表2中相關系數可見，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣與一級動力學方程和Elovich方程的線性相關性都大于0.96，線性相關性高。氨水濃度為20%時，與二級動力學方程積分式的線性相關性最大；氨水濃度為25%時，與Elovich方程的線性相關性最大。氨水濃度對吸附動力學模型無影響，但對吸附速率常數有一定影響。

2.2 三聚磷酸二氫鋁吸附空氣對吸氨性能的影響

2.2.1 對吸附量和平衡吸附時間的影響

配置25%氨水400mL,在兩個干燥器中分別加入相同量的25%氨水，再分別加入2.000g干燥的和吸附空氣后的三聚磷酸二氫鋁，在室溫下，測定不同時間三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附量，其數據見圖2。

圖2 三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后對吸氨量的影響Fig.2 The effect of absorption of air on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on its ammonia absorption capacity

由圖2中實驗數據可知，三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，飽和吸附量下降了94mg/g,由于實驗測得三聚磷酸二氫鋁吸附空氣的飽和吸附量為95 mg/g，因此，三聚磷酸二氫總吸附量基本未變，達到平衡吸附時間也未發生變化。

2.2.2 對吸附動力學的影響

對圖2中的實驗數據分別進行一級動力學方程、二級吸附動力學方程和Elovich動力學方程積分式的線性擬合，用最小二乘法檢驗其線性相關性，通過直線的斜率和截距計算得到的動力學參數，其結果見表3。

表3 各動力學方程積分式和相關系數Table 3 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表3中相關系數可見，三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，對吸附動力學模型無影響，但Elovich動力學方程中的b值減小了39，一級動力學方程中的k1值增大了0.003。

2.3 三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣對吸氨性能的影響

2.3.1 對吸附量和平衡吸附時間的影響

配置25%氨水400mL,在兩個干燥器中分別加入相同量的25%氨水，再分別加入2.000g干燥的和吸附水蒸氣后的三聚磷酸二氫鋁，在室溫下，測定不同時間三聚磷酸二氫鋁對氨氣的吸附量，其數據見圖3。

圖3 三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣對吸氨量的影響Fig.3 The effect of absorption of water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on its ammonia absorption capacity

由圖3中實驗數據可見，三聚磷酸二氫鋁吸水后，飽和吸附氨氣量減小了99mg/g,達到飽和吸附的時間縮短了24h。由于實驗測得三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣的飽和吸附量為138 mg/g，因此，三聚磷酸二氫鋁的總吸附量提高了。這是由于氨易溶于水，水對氨有一定的吸附能力，因此導致三聚磷酸二氫鋁吸水后，雖吸附氨能力下降，但總吸附能力增強，且達吸附平衡的時間縮短的結果。

2.3.2 對吸附動力學的影響

對圖3中的實驗數據分別進行一級動力學方程、二級吸附動力學方程和Elovich動力學方程積分式的線性擬合，用最小二乘法檢驗其線性相關性，通過直線的斜率和截距計算得到的動力學參數，其結果見表4。

表4 各動力學方程積分式和相關系數Table 4 The integral representations and their related coefficients of common kinetics equations

由表4中相關系數可見，三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣后，對吸附動力學模型無影響，但Elovich動力學方程中的b值減小了68，一級動力學方程中的k1值增大了0.019。

2.4 吸附動力學模型的確定

由2.1～2.3中各因素對動力學的影響可見，各組實驗數據與一級動力學方程和Elovich動力學方程的線性相關性都大于等于0.95。因此，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣的動力學，可用一級動力學方程和Elovich動力學方程模型描述。

2.5 三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣機理探索

三聚磷酸鋁(AlH2P3O10·2H2O)是一種酸強度弱而酸性度大的固體酸,氨是堿性氣體，三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣機理是化學吸附，吸附反應為：2NH3+AlH2P3O10·2H2O→Al(NH4)2P3O10·2H2O，按此化學反應計算AlH2P3O10·2H2O理論吸附氨量為106.9mg/g，而AlH2P3O10·2H2O的實測吸附氨量可達540 mg/g，是理論吸附量的5倍，顯然不僅僅存在化學吸附。化學吸附是單分子層吸附，而物理吸附可以是多層吸附。

3 結論

(1)三聚磷酸二氫鋁吸附氨氣的動力學，可用一級動力學方程和Elovich動力學方程模型描述。

(2)氨水濃度對吸附量和平衡吸附時間有顯著影響，對吸附動力學無影響。

(3)三聚磷酸二氫鋁吸附空氣后，對吸附量和平衡吸附時間無影響，對吸附動力學無影響。

(4)三聚磷酸二氫鋁吸附水蒸氣后，對吸附量和平衡吸附時間均有影響，對吸附動力學無影響。

［1］張占義，曲衛中，何淑萍，等.控制和消除染燙發氨污染的建議［J］.醫學信息,2010，23（10）：3703.

［2］安平平，黃文鵬.室內空氣中氨污染現狀［J］.科技創新導報,2010，（6）：148～149.

［3］韓樹青，薛志明，馬蔚，等.混凝土外加劑氨污染的評估［J］.中華勞動衛生職業病雜志,2002,20(3)：214～215.

［4］白麗娟，黃增尉,馬少妹，等.三聚磷酸二氫鋁對水中銅離子的吸附動力學［J］.環境科學與技術，2009，32（8）：27～30.

［5］黃增尉,白麗娟,袁愛群,等.三聚磷酸二氫鋁吸附Pb2+的動力學研究［J］.化學工程，2009，37（9）：5～8.

［6］白麗娟,陳東蓮,黃增尉，等.三聚磷酸二氫鋁吸附Zn2+的動力學［J］.桂林工學院學報，2009，29（3）：338～342.

［7］袁愛群,李月芳,黃平.三聚磷酸鋁冰箱吸味劑的研制［J］.四川化工與腐蝕控制，1999，2（5）：11～13.

Adsorption Kinetics of Ammonia on Aluminum Dihydrogen Tripolyphosphate

CHENG Xiu-lian1,SONG En-jun2,REN Guang-jun2,ZHOU Qi2and BA Shu-hong1
（1.College of Accoutrement Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.College of Environment and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The aqueous solution of gas with a certain mass to be determined is put in vacuum dryer and the gas concentration is kept constant in vacuum dryer.Then the effects of ammonia concentration and adsorption of air and water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate on adsorption kinetics of ammonia on aluminum dihydrogen tripolyphosphate are studied by utilizing this device.The results show that the adsorption kinetics of ammonia on aluminum dihydrogen tripolyphosphate can be described by first-order kinetic equation and Elovich kinetic equation model.The ammonia concentration has a great effect on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time,and there are no effects of adsorption air on aluminum dihydrogen tripolyphosphate air on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time.However,adsorption of water vapor on aluminum dihydrogen tripolyphosphate has influences on the adsorption capacity and equilibrium adsorption time.

Aluminum dihydrogen tripolyphosphate;adsorption;ammonia;kinetics

TQ424.3

A

1001-0017（2012）03-0023-04

2011-12-02

程秀蓮(1965-)，女，安徽人，碩士，教授，主要從事環境治理和涂料、膠黏劑等精細化學品的研究與開發。