松蘿對空氣中甲醛的吸附研究

楊亞宣，余文婷，羅明標

（東華理工大學 化學生物與材料科學學院，江西 南昌 330013）

隨著人們對居住環境要求的不斷提升，室內裝修已經成為人們追求美好生活中的必需品。甲醛作為室內裝飾的主要污染物，長期接觸甲醛會導致人們患上霍奇金淋巴瘤、白血病等特殊癌癥的概率增大[1]。常用的凈化室內甲醛的方法主要包括通風換氣、綠色植物凈化、光催化法、空氣負離子法和吸附法[2-5]。目前，已經研究了大量的吸附材料，并被應用于現實生活與生產。利用吸附法去除室內甲醛氣體是最經濟、最方便的方法，較為常見的吸附材料有活性炭、硅灰基材料、氨基酸吸附材料、復合納米材料、天然提取物等[6]。目前，市面最有效的吸附去甲醛材料有納味卡和硅藻土等。

松蘿隸屬于鳳梨科鐵蘭屬，是多年生附生植物，雖有根，但根部不起吸收作用，可不需要土壤而在空氣中生長，因此被稱“松蘿”。松蘿葉片具有很強的從空氣中吸收水分和養分的能力，從而也可同時吸收大氣中的各種重金屬、有機污染物等物質，除觀賞外，一直被用來作為監測環境變化的“指示植物”[6-15]。松蘿葉片表面覆蓋有厚厚的白色鱗片[7]，可以吸附絕大部分重金屬顆粒，如Hg、Pb、Cs、Sr等[8-9]。谷民天等[16]發現松蘿對天然放射性氣體氡也具有較強的抗性。松蘿是自然生長的植物，在自然中很常見，在我國一些西部山區更是隨處可見。因此，將松蘿這種天然的、無需添加任何添加劑的材料，應用于室內空氣凈化，必然具有遠大的利用前景。如果形成產業鏈，可以促進西部地區的經濟發展，加速精準脫貧。

本文以天然松蘿為實驗材料，展開對空氣中甲醛的吸附研究，探討了接觸時間、甲醛初始濃度對吸附效果的影響。實驗結果表明，甲醛濃度相同，接觸時間90 min達到吸附平衡，符合擬二級動力學，符合Langmuir等溫吸附模型，對甲醛的理論飽和吸附量為532 ng/g。松蘿吸附飽和后，可在光照、通風環境下完全脫附，可循環使用。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

松蘿，采集于西藏自治區林芝地區，自然風干。

1.2 主要試劑

甲醛氣體（50 mg/m3，用He平衡，上海偉創標準氣體分析技術有限公司）；酚試劑（分析純，阿拉丁）；硫酸鐵銨（分析純，西隴化工有限公司）；鹽酸（分析純，西隴化工有限公司）；納味卡（市場購置，盤錦德宣環保材料有限公司）；納米凈醛石（市場購置，鄭州阿凡達環寶材料有限公司）。

1.3 儀器設備

嶗應9011型大氣采樣器（青島眾瑞智能儀器有限公司）、721E型紫外分光光度計（上海光譜儀器有限公司）、吸附甲醛的裝置（自制）。

1.4 實驗方法

1.4.1 材料吸附效果的評價

稱取適量材料于網紗袋中，用雙面貼粘于吸附甲醛裝置（如圖1所示，直徑20 cm，高度32 cm，體積10 L，厚壁玻璃材質）頂面玻璃的內側。開啟充電小風扇，以保證箱內空氣循環流動。頂面玻璃用凡士林封口，玻璃對面上下位置開有一個圓孔（直徑2.5 cm），用于甲醛標準氣體的注入和采集。用玻璃注射器從下面的氣體入口向箱內注入甲醛標準氣體。反應一定時間后，從上面的氣體出口采集氣體測試。

圖1 吸附甲醛裝置示意圖

1.4.2 甲醛的濃度測定

本實驗采用的是國家標準GB/T 18204.26—2016《公共場所空氣中甲醛測定方法》中的第一法——酚試劑分光光度法。測定的范圍為0.1～1.5 μg；采樣體積為10 L，測定的濃度范圍為0.01～0.15 mg/m3。本法檢出下限為0.056 μg。標準曲線的線性范圍為0.01 ～ 0.15 mg/m3。

1.4.3 甲醛標準曲線的測定及繪制

以吸光度（A）為橫坐標，甲醛濃度（C）為縱坐標（mg/L），繪出甲醛標準曲線，其回歸方程為C=0.3252A+0.0323，R2=0.999 4。

1.4.4 甲醛去除率計算

其中，C2為空氣中剩余甲醛的濃度，mg/m3；C0為空氣中原有甲醛的濃度mg/m3。

2 結果與分析

2.1 探究時間對松蘿吸附甲醛影響

準確稱取6.00 g松蘿于吸附甲醛裝置中，注入150 mL甲醛氣體，加入后裝置內甲醛濃度為0.25 μg/L，分別在接觸不同時間后，測量甲醛的濃度，并通過計算得出甲醛的吸附率。甲醛吸附率與時間的關系圖，如圖2。由圖2可知，隨著時間的增加，甲醛吸附率不斷增加，90 min就基本達吸附平衡。

動力學是為了研究各種因素對反應速率影響規律，是研究反應過程的反應機理，一般有擬一級動力學和擬二級動力學[17]。擬一級動力學是假設以物理吸附為主，擬二級動力學是假設以化學吸附為主。接觸時間對松蘿吸附甲醛可模擬動力學，擬一級動力學模型（如圖3）和擬二級動力學模型（如圖4）。

圖2 吸附率與時間的關系

擬一級動力學公式：

式中：Qe為松蘿吸附平衡時的吸附量，ng/g；Qt為時間t時松蘿吸附甲醛的吸附量，ng/g；K1為一級吸附速率常數, ng/(g·min）。

在 30～ 100 min，以 ln(Qe-Qt)對t作圖3。

擬二級動力學公式：

式中：Qe為松蘿吸附平衡時的吸附量，ng/g；Qt為時間t時的吸附量, ng/g；K2為二級吸附速率常數，g/(ng·min)。

在30～100 min，以時間t對t/Qt作圖4。

圖3 松蘿吸附甲醛的擬一級動力學模型圖

圖4 松蘿吸附甲醛的擬二級動力模型圖

計算松蘿吸附甲醛的擬一級、擬二級動力主要參數，見表1。

表1 松蘿吸附甲醛的擬一級、擬二級動力學參數

由表1可得，松蘿吸附甲醛的擬一級的相關系數為R=0.998，擬二級動力學的相關系數為R=0.999；而擬一級模型理論值吸附量311.53 ng/g，擬二級模型理論值吸附量342.47 ng/g。說明該吸附更符合擬一級動力學。根據擬一級動力學公式計算出松蘿吸附甲醛的速率常數為0.052 ng/(g·min)。

2.2 松蘿對甲醛的飽和吸附量的研究

準確稱取6 g松蘿7份于玻璃密封箱中，注入甲醛氣體，其甲醛濃度為0.10、0.20、0.30、0.40、0.60 μg/L和0.80 μg/L，90 min后，采集氣體測試吸附平衡后的甲醛的濃度，如圖5所示，吸附量高達440 ng/g。

圖5 甲醛的初始濃度對松蘿吸附甲醛的影響

Langmuir等溫吸附式：

式中：Ce為松蘿吸附平衡時甲醛的濃度，ng/L；Qe為吸附平衡時松蘿吸附甲醛的吸附量，ng/g；Qm為最大吸附容量，ng/g；K為Langmuir吸附平衡常數，L/ng。

在甲醛的初始濃度150～800 ng/L內，以Ce對Ce/Qe作圖6。

Freundlich等溫吸附式：

式中：Ce為黃鐵礦吸附平衡時鈾的濃度，ng/L；Qe為吸附平衡時黃鐵礦吸附鈾的吸附量，ng/g；KF為Freundlich吸附平衡常數，ng/g。

在甲醛的初始濃度150～800 ng/L，以lnCe對lnQe作圖7。

模擬Langmuir模型和Freundlich模型如下：圖6是甲醛的初始濃度為150～800 ng/L松蘿吸附甲醛的Langmuir等溫吸附曲線；圖7是甲醛的初始濃度為150～800 ng/L松蘿吸附甲醛的Freundlich等溫吸附曲線。

圖6 模擬的Langmuir等溫吸附曲線

圖7 模擬的Freundlich等溫吸附曲線

通過理論模型和理論計算[18]，得出松蘿吸附甲醛的Langmuir和Freundlich主要參數，如表2。

表2 松蘿吸附甲醛的Langmuir和Freundlich等溫吸附模型參數

由表2可得，6 g松蘿吸附甲醛模型在甲醛的初始濃度為150～800 ng/L更符合Langmuir等溫吸附。根據Langmuir模型公式計算理論的松蘿吸附甲醛的飽和吸附量為532 ng/g。

2.3 對松蘿吸附飽和后的脫附性能探究。

用分析天平分別稱取4份8 g松蘿，將這4份松蘿都放置于甲醛濃度較高的玻璃瓶中100 min，等松蘿吸附達到飽和后，將其放置于通風良好的通風口2 min除去松蘿周圍的甲醛。再將這4份均放置在4個空的玻璃瓶中在太陽光照射下進行脫附反應，反應時間為30 min、60 min、90 min和120 min。再用其進行采樣，測試甲醛濃度，從實驗結果可知，在脫附到90 min的時候脫附的量達到最大值并且之后不再脫附。每次脫附后，收集以進行下一個吸附試驗循環。在重復試驗中，松蘿的吸附在5個循環期間沒有顯著下降，并且甲醛吸附的飽和吸附量均保持在約500 ng/g。這表明，具有低成本、高吸附穩定性的松蘿在吸附空氣中甲醛應用中顯示出巨大的應用潛力。

2.4 松蘿與市面上的吸附甲醛材料的比較

松蘿吸附除甲醛的現實使用效果水平及市場應用可行性，選擇了兩種市面上主要的吸附甲醛的材料——納味卡和納米凈醛石，與天然、無添加劑的松蘿比較吸附甲醛的效果。考慮單位質量吸附材料的價格因素，在比較該3種吸附材料時，選擇納味卡0.8 g，而松蘿和納米凈醛石8 g。結果如圖7，松蘿吸附甲醛的吸附量稍低于市面上2種材料。所以，松蘿作為一種天然、無任何人為添加劑的吸附甲醛材料，特別是在室內甲醛去除領域，具有廣闊的應用前景。

3 結論

（1）接觸時間90 min后達到飽和吸附量，符合擬一級動力學，符合Langmuir等溫吸附模型，對甲醛的理論飽和吸附量為532 ng/g。

（2）松蘿吸附飽和后，可在光照、通風環境下完全脫附，可循環使用至少5次。如連續使用1～3個月，建議拿到室外光照2h，可恢復吸附量的60%～80%。

（3）松蘿是在自然界中很常見，特別是在高原森林地區隨處可見，如果得到很好地開發利用，可以促進西部地區的經濟發展，加速精準脫貧。

圖7 不同材料吸附率對比