新型高效的甲醛捕集吸附剂简介

  • 2024-06-28

近年来,随着健康意识的不断提高,人们越来越关注室内空气质量(IAQ,Indoor Air Quality)状况。挥发性强、涉及领域广泛的挥发性有机化合物(VOCs,Volatile Organic Compounds)成为影响IAQ的重要因素。作为室内VOCs的主要成分之一,甲醛(HCHO)是一种无色、刺激性气体,对人体的组织细胞、器官和呼吸系统造成不可逆的伤害。HCHO对人体健康所造成的威胁日趋严峻,地区组织和国际组织高度重视。研究表明,HCHO这种高毒性物质可能是近几年来导致我国儿童白血病、呼吸系统疾病发病率增高的主要原因之一,被世界卫生组织(WHO,World Health Organization)列为致癌和致畸形物质。目前,欧盟已经在很多领域禁止使用HCHO。在如此严峻的情况下,我国成为了全球HCHO生产、进出口和消费大国。近年来,我国室内HCHO水平超标城市主要分布在中东部人口密集区域(如图1所示)。

图1 我国室内甲醛水平分布2013~2019(Sci. Total Environ., 2023, 883, 163553-163562)

2023年2月1日,国家实施的《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2022)明确规定室内HCHO的允许最高质量浓度为0.08 mg/m3。根据科研工作者对室内HCHO含量的大量调查与研究,发现大部分地区居住环境中HCHO含量平均质量浓度约为0.10~0.84 mg/m3,严重超过我国室内空气质量标准上限值。有些地区新房装修后室内HCHO超标量甚至为上限值的十几倍,并且HCHO的释放周期可长达3~15年,其对人体健康造成了严峻的威胁。

近年来,我国房地产行业和装修装饰行业发展迅猛,室内配置的新建材和新家具具有较高的HCHO释放速率。因此,人群在限域空间内HCHO氛围中暴露的风险越来越高。高剂量暴露增加了急性中毒的风险,而长时间低剂量暴露也会导致慢性中毒、血液疾病,甚至癌症。为改善室内空气质量,维护人们的身体健康,迫切需要加强限域空间内HCHO的有效治理。

目前广泛使用的HCHO治理方法可以分为:物理法、化学法和生物法,各种方法的优缺点大致如图2所示。物理法以活性炭等固体吸附剂为例,具有易操作、成本低等优点。但是也面临吸附量低,选择性和疏水性差,甚至会引起二次污染等局限性。生物法安全无污染,可以克服物理法效果不佳等缺点。然而,该方法捕集速率缓慢,受环境因素影响大,在一定程度上限制生物法的应用。相比而言,化学法能有效克服物理法和生物法存在的缺陷。相比于物理吸附法,化学吸附法具有更强的吸附作用力,避免了物理吸附过程中HCHO的再次解吸。相比于生物法,化学吸附法能够承受苛刻的自然环境,同时还可以保持较快的吸附速率和较高的吸附容量,在室内HCHO捕集方面受到了广泛地研究。除了化学吸附法,热催化氧化法和光催化氧化法等都是化学治理HCHO的典型方法。热催化氧化法往往采用贵金属或过渡态金属为催化活性中心,操作简单,HCHO吸附效果好。以贵金属为活性中心的催化剂成本高,在工业生产中难以量产;以过渡态金属为活性中心的吸附剂,活性中心易团聚失活,大大缩短了催化剂的使用寿命。以光触媒为代表的光催化氧化法具有效果好,处理快的特点。然而,该方法的吸附效果会受到光源质量的影响。综上所述,目前的治理方法普遍面临HCHO处理量小,选择性和疏水性差,受环境影响大,易造成二次污染等局限性。

图2 HCHO处理方法概况

HCHO分子π键极化,使得分子结构中O原子带负电荷,与之相连的C原子带正电荷,与C原子相连的H比较活泼,易与含有孤对电子的极性基团形成氢键。根据这一主要矛盾,设计具有极性基团的吸附剂,有望达到高吸附量。

针对于上述HCHO分子的微观特性,我们定向研发的新型液体吸附剂对HCHO饱和气氛捕集达到了最高吸附容量(45 wt%,如图3所示)。在超高 HCHO 浓度(800 ppm)穿透实验中的捕集性能(<1 ppb)已经远低于国家最新实施的《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2022)中规定的室内 HCHO允许最高质量浓度限值(0.08 mg/m3))。同样地,在易信环保科技有限公司用于VOCs捕集的实际应用中,该产品效果也同样显著。

图 3 本产品与其他产品对比

本产品在常温下呈熔融性的盐,合成方法简单,不需要复杂的化工设备。产品价格低廉,原料成本低于10元/公斤。具有极低的饱和蒸气压,是一种新型绿色溶剂。对甲醛作用力强,化学络合(吸附饱和后为胶条状固体,如图4右所示)无二次污染,良好的化学稳定性、热稳定性及几乎不挥发等优点。适合大型商超、办公室、卧室等限域空间使用,产品可降解不挥发,环保无污染。在甲醛捕集、VOCs捕集等领域具有广阔的应用背景。

图 4 本产品使用前后对比

来源:化学化工学院

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