尿素修飾的活性炭吸附甲醛研究

謝佳平,牟虹蓉,陶 飛，劉思琪，倪銘君，劉明燃,唐 倩,龔成斌*

(1.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 北碚 400715;2.西南大學(xué)附屬中學(xué)校，重慶 北碚 400700)

環(huán)境和材料是21世紀(jì)人類面臨的重要議題。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技進(jìn)步，生活水平的日益提高，室內(nèi)各類裝修材料、生活用品和化工產(chǎn)品的廣泛使用，這些材料的醛類樹脂遇熱時(shí)，會(huì)分解出甲醛，對(duì)人體健康構(gòu)成了極大的威脅，甲醛去除的研究成為近年來關(guān)切的熱點(diǎn)問題[1]。已經(jīng)報(bào)道的去除甲醛的方法：微生物降解法[2]、空氣負(fù)離子技術(shù)[3]、植物吸收法[4]、熱催化降解法[5]、光催化法[6]、吸附法[7],活性炭因具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、吸脫速率快、易再生等優(yōu)點(diǎn)，是最經(jīng)濟(jì)、有效的常用去除室內(nèi)污染物的方法[8]。但是活性炭吸附是物理吸附，易于達(dá)到飽和，常溫下易解析，失去吸附性能。而且活性炭的強(qiáng)度低、易碎，在吸附污染物后易造成二次污染。對(duì)活性炭孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積及表面化學(xué)性質(zhì)的改性問題成為了研究人員的研究熱點(diǎn)。目前對(duì)活性炭改性主要包括物理改性和化學(xué)改性兩種方式：其中化學(xué)改性包括：氧化改性[9],強(qiáng)還原改性[10]，高溫?zé)崽幚砀男訹11],低溫等離子處理[12],負(fù)載金屬離子[13]和活性炭負(fù)載雜原子和化合物[14],這些改性方法通過對(duì)活性炭表面引入或去除某些表面化學(xué)官能團(tuán)，改善了活性炭表面的酸堿性，增加了活性炭表面碳的分布，使其具有對(duì)甲醛更大的吸附能力。本文利用活性炭較大的比表面積和較豐富的微孔結(jié)構(gòu)，將尿素吸附在活性炭表面，利用尿素易與甲醛反應(yīng)，生成相應(yīng)的樹脂，吸附并消耗甲醛，達(dá)到去除甲醛的目的，從而制備出性能優(yōu)異的甲醛去除劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

B11-3恒溫磁力攪拌器；BR-Smart-126S甲醛檢測(cè)儀。IR光譜儀PE GX 紅外光譜儀(KBr 壓片，掃描范圍：4000-400 cm-1)，N2吸附由Autosorb-1 apparatus (美國(guó)康塔公司)吸附儀測(cè)定(比表面和孔直徑用BET和BHJ模式計(jì)算)，元素分析(CHN)由Elementary Vario Micro Select (德國(guó))。顆粒活性炭；37%～40%甲醛溶液；尿素(99.5%)均為市售分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 甲醛吸附量測(cè)定

采用在密閉的實(shí)驗(yàn)箱(30×30×20cm)內(nèi)進(jìn)行，甲醛測(cè)定儀固定在箱體內(nèi)表面(上部)，可視窗上可方便讀數(shù)，隨時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)甲醛濃度變化，在室溫下，準(zhǔn)確量取甲醛溶液于培養(yǎng)皿，放置密閉箱，打開小風(fēng)扇，使甲醛揮發(fā)并保證整個(gè)箱體的甲醛濃度均勻，每次甲醛濃度測(cè)定三次，計(jì)算平均值，加入一定量活性炭或者改性后活性炭后，根據(jù)不同時(shí)間內(nèi)甲醛儀讀數(shù)變化，計(jì)算出活性炭吸附甲醛的量。

1.2.2 尿素修飾活性炭實(shí)驗(yàn)

活性炭的預(yù)處理、研磨篩分：活性炭用標(biāo)準(zhǔn)篩按篩孔大小順序進(jìn)行篩分，分別取80～120目活性炭，密封放置，待用。水洗：將一定量活性炭放入燒杯中，加去離子水，浸洗60 min后，過濾，在 105℃烘箱中，烘干至恒重、密封備用。

稱量一定量尿素，配制不同濃度的尿素溶液，加入適量活性炭進(jìn)行浸泡6 h，過濾，水洗滌，在60℃真空干燥箱中，烘干至恒重，利用活性炭修飾前后的質(zhì)量的變化，可計(jì)算尿素的負(fù)載量，備用。用紅外光譜，元素分析，N2吸附儀表征修飾前后變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭實(shí)驗(yàn)條件分析

對(duì)不同活性炭用量、不同溫度、不同甲醛濃度下活性炭的吸附性能進(jìn)行比較，得出本實(shí)驗(yàn)條件下，甲醛最佳加入量為1.0 mL，活性炭最佳用量為15 g，最佳溫度為20℃。加入0.5 mL甲醛時(shí)，得到密閉環(huán)境甲醛濃度約為0.6～0.8 mg/m3，活性炭吸附達(dá)到飽和時(shí)間約為30 min，甲醛去除率可達(dá)到85%。

2.2 尿素修飾活性炭吸附甲醛效果分析

由圖1可知，加入適量尿素修飾的活性炭，在20 min左右甲醛吸附達(dá)到飽和。比未修飾的活性炭，吸附效率高。說明添加尿素后，有助于甲醛的吸附和去除。在一定范圍內(nèi)，甲醛的去除率與尿素添加量成正比，最佳尿素添加量為11%，再增加尿素用量(17.8%)甲醛去除率反而降低，活性炭多孔結(jié)構(gòu)被包覆和填埋，反而阻止了甲醛的吸附和去除。

2.3 修飾活性炭表征分析

2.3.1 紅外表征

圖2為不同類型活性炭吸附劑的紅外表征圖像。活性炭(a)在3400 cm-1左右處出現(xiàn)較強(qiáng)吸收單峰，主要是活性炭表面活潑氫的吸收。尿素修飾后活性炭(b)在3300 cm-1～3400 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，可歸結(jié)為N-H基吸收，在1670.67 和1624.52 cm-1處出現(xiàn)的明顯特征峰為尿素的羰基和酰胺基吸收，表明尿素成功負(fù)載到活性炭上。

圖1 尿素用量與甲醛去除率的關(guān)系Fig.1 Relationship between urea amount and formaldehyde removal rate

圖2 修飾前后活性炭IR圖Fig.2 The IR spectrum of activated carbon modified by urea

2.3.2 BET吸附表征

表1為活性炭修飾前后，吸附甲醛前后的N2吸附結(jié)果，對(duì)其比表面積和孔容的分析看出，活性炭尿素修飾后，比表面積和孔容都略有減少，說明尿素負(fù)載到活性炭微孔中，降低活性炭比表面積,吸附甲醛后，比表面和孔容進(jìn)一步減小，可能是活性炭吸附和尿素與甲醛反應(yīng)的雙重結(jié)果，從而提高甲醛去除率。

表1 活性炭尿素修飾和吸附甲醛前后的比表面積和孔容變化Table 1 Changes of specific surface area and pore volume of Activated carbon before and after urea modification and formaldehyde adsorption

2.3.3 元素分析表征

表2為活性炭修飾前后及吸附甲醛前后的元素分析結(jié)果。活性炭主要以碳元素為主，C含量達(dá)90.40%，氧含量為7.16%，而N含量非常低，僅為0.09%，與李宇旭[15]活性炭元素分析結(jié)果類似。經(jīng)尿素修飾后活性炭的氮、氧含量明顯含量增大，表明尿素負(fù)載到活性炭上。尿素修飾后的活性炭吸附甲醛后，C、H、O含量有所增加，表明甲醛與尿素反應(yīng)生成脲醛樹脂附著在活性炭表面。

表2 活性炭尿素修飾和吸附甲醛前后的元素分析結(jié)果Table 2 Elemental analysis results of activated carbon before and after urea modification and formaldehyde adsorption

3 結(jié)論

本文成功地將尿素修飾活性炭用于甲醛的吸附與去除研究，使用尿素修飾后，甲醛去除效率明顯提高，在該研究條件下，室溫20℃，15g 活性炭，0.166 g尿素修飾,可有效的去除甲醛，使體系內(nèi)甲醛的濃度不超過為 0.07 mg/m3,低于國(guó)家最高濃度不超過0.08 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)。