CN109289793A

CN109289793A - 利用超声波辅助盐析处理制备pm2.5吸附剂的方法

Info

Publication number: CN109289793A
Application number: CN201811440063.3A
Authority: CN
Inventors: 陈莉
Original assignee: Yuncheng University
Current assignee: Yuncheng University
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2019-02-01

Abstract

本发明涉及一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，它属于一种原生态绿色生物吸附剂的生产方法。本发明的目的是解决现有室内去除PM2.5的方法存在的去除效果较差、价格昂贵和易产生二次污染的技术问题。本发明的技术方案是：一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其具体步骤如下：1)取样；2)清洗；3)沸水水浴；4)漂洗；5)烘干；6)超声波辅助盐析处理；7)冲洗；8)烘干；9)粉碎。本发明具有去除效果较好、价格低廉和不易产生二次污染等优点。

Description

利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，它属于一种原生态绿色生物吸附剂的生产方法。

背景技术

PM2.5是指环境中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物，也称可吸入颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。其来源一是人类的活动：例如，化工厂的不正当经营、废弃物的燃烧等，这些都是人为因素造成的；二是自然灾害的原因：例如火山爆发、泥石流、雾霾等自然因素。室内空气污染是由于一些室内装潢、室内维修，以及一些潮湿发霉导致的室内空气掺杂入了一些有害物质而导致的。汽车尾气排放，日常发电，供暖产生的有害气体，以及工业生产产生的重金属有害气体都是PM2.5的来源。其危害有：直径在2.5微米以下的进入人体肺部后，肺部会被PM2.5颗粒堵住，会干扰肺部的气体交换，引发呼吸方面的各种疾病。PM2.5会让人致癌、严重损伤人们的皮肤，甚至会引发人的精神疾病。PM2.5易吸附各种有害物质及病原微生物，能长期悬浮在空气中，输送距离远，对人类健康构成严重威胁，已成为全球热点问题。

作为全球性的环境课题，空气污染特别是PM2.5引发的呼吸系统与心血管系统等内在的健康问题，已引起医学临床及公众广泛重视。然而，空气污染所造成的皮肤问题，虽已被很多女性认知为美丽公敌，却严重缺乏科学研究支撑。一般来说，在雾霾状态下，表面上看光线并非很强烈，许多人忽视了对皮肤的保护，而恰恰是在这个时候，紫外线对人体皮质的损害更大。皮肤问题专家分析道，以PM 2.5为500的爆表污染天来衡量，户外暴露8小时，脸上吸附的粉尘差不多有1克。这1克，听起来好像并不多，但一块粉饼通常只有10克，这意味着在爆表的高污染天，往脸上涂了十分之一块粉饼。

欧莱雅集团在研讨会上公布相关课题研究表明，此前认为，紫外线照射是造成皮肤老化的重要原因，经过十年研究发现，包括PM 2.5在内的空气污染物是紫外线“施威”的重要催化剂，可将紫外线对皮肤的伤害程度增加三倍。

我国现在主要通过多种植绿色植物、限制车辆出行等控制或减少污染源这方面来减少PM2.5的排放。市场上有一些PM2.5的吸附剂产品来控制室内PM2.5，空气净化器这一方面由于成本太过昂贵，不适合普通民众。

目前，室内去除PM2.5的方法为：

1、空气清新剂净化：空气清新剂本身就是一种污染物质，并不能从根本上消除异味，实际上是掩盖了异味，并且空气清新剂低毒。

2、绿色植物净化空气：绿色植物对空气污染吸收并体内少量分解，虽然有效但很微量，杯水车薪，对于整个空间来说，几盆植物基本没什么作用。而且植物有最低吸收值，即当污染物浓度降低到一定数值时，植物不会再吸收，仅可作为室内污染的晴雨表，如植物发黄、枯萎，说明室内污染很严重。绿色植物净化空气效率极低，不少学者相关报道其实仅仅为绿色植物的应激反应，且夜晚释放CO₂。

3、活性炭、竹炭净化空气：传统活性炭生产是以木材和煤炭为主要牺牲品，造成森林资源大面积毁坏和生态环境的严重污染，甚至影响动植物的繁衍。活性炭、竹炭吸附效果相对不高，且易达到吸附饱和状态。

4、硅藻纯净化空气：价格昂贵，吸附易达到饱和，性价比低。

5、臭氧空气净化法：通过氧化分解污染气味，例如一款网上热销的德国生产的臭氧空气净化器，用以去除居室PM2.5污染物，但是臭氧本身难以控制，关闭臭氧发生器后无作用；低浓度臭氧导致净化效果不佳；高浓度臭氧对眼睛和呼吸道有刺激作用，对肺功能也有影响，会对人体造成伤害，长期吸入可致癌。

6、甲醛捕捉剂及甲醛清除剂除污染物：能中和或氧化分解污染气味，但主要针对甲醛，可强效中和或分解甲醛，而对于PM2.5、苯系物、TVOC等空气污染作用甚微，反应物反应结束后无作用，短期性，会产生二次污染，并且微毒性。

7、光触媒净化法：氧化分解污染气味，但其操作比较复杂，单独使用的时候见效较慢，不能针对污染源，代价比较大。

甘蔗产量和产值仅次于粮食、油料和棉花，居第四位。由于甘蔗的生长适应能力强，近年来我国甘蔗的种植面积逐年增加，产量也有了很大提高。秋季甘蔗上市后，大量的甘蔗皮便成为污染环境的生活垃圾，尤其是目前市场上有一种冰霜甘蔗肉食品，售出的削皮甘蔗，加工厂有大量的废弃甘蔗皮，多数丢弃于水果市场及蔗糖加工厂任其腐烂变质或进行露天焚烧，不仅产生了大量的固体废弃物，还浪费了大量的资源，更严重造成了环境的污染。寻求甘蔗皮合理利用途径，将其变废为宝，是可持续发展迫切需要解决的问题。甘蔗皮中富含纤维素，是一种很有开发利用前景的新型纤维资源。研究表明：甘蔗皮中纤维素含量占35.60％，半纤维素含量占39.30％，木质素含量占22.50％。

发明内容

本发明的目的是解决现有室内去除PM2.5的方法存在的去除效果较差、价格昂贵和易产生二次污染的技术问题，提供一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：

一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其具体步骤如下：

1)取样：选取干燥未变质的甘蔗皮作为原材料；

2)清洗：自来水清洗材料，去除表面污渍，并将甘蔗皮剪碎；

3)沸水水浴：把清洗后的甘蔗皮置于烧杯中，100℃下水浴20-40min；

4)漂洗：流动水冲洗水浴后甘蔗皮数分钟，除去可溶性杂质；

5)烘干：将漂洗的甘蔗皮放置于托盘中，在60-70℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥24h；

6)超声波辅助盐析处理：将烘干的甘蔗皮置于浓度为0.05-0.5mol/L的KCL中，在超声波仪器中水解，超声波功率为150w，温度为60-70℃，处理时间为20-40min；

7)冲洗：将超声波辅助盐析处理后的甘蔗皮充分冲洗数次；

8)烘干：将冲洗的甘蔗皮放置于托盘中，在60-70℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥20-24h；

9)粉碎：将干燥后的甘蔗皮用粉碎机粉碎，过20-120目筛，即可得到生物吸附剂。

优选地，所述的KCL溶液浓度为0.2mol/L。

优选地，所述的超声温度为64℃。

优选地，所述的超声波处理时间为30min。

本发明的有益效果为：

本发明采用废弃甘蔗皮经超声波辅助盐析处理制备成一种具化学和物理双重复合吸附功能的新型原生态生物吸附材料，利用强大比表面积和极高孔隙率来净化污染物PM2.5。一改过去利用活性炭净化污染以木材为原料，造成森林资源大面积毁坏，严重影响生态平衡和动植物繁衍的弊端。本发明致力于解决废弃物二次污染问题，在实现资源循环利用的同时实现“零排放”。

本发明应用二次回归旋转正交组合设计实验对PM2.5吸附率进行深度研究，以优化PM2.5的吸附条件，并通过与传统的吸附材料进行横向对比试验，研究表明相同条件下：本发明所得优化甘蔗皮生物吸附剂对PM2.5的吸附效果优于硅藻土、活性炭、竹炭和大孔树脂。经国家室内车内环境及环保产品质量监督检验中心检测，本发明制备的生物吸附剂500g样品在24h内吸附甲醛98％、吸附苯93％；吸附效果远超市面同类产品。

与背景技术相比，本发明具有去除效果较好、价格低廉和不易产生二次污染等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中所得优化甘蔗皮生物吸附剂在相同条件下与硅藻土、活性炭、大孔树脂及竹炭对PM2.5吸附率的比较图；

图2为甘蔗皮不同状态的扫描电镜图；

图3为本发明优化甘蔗皮生物吸附剂的能谱图；

图4为甘蔗皮不同状态的红外光谱图；

图5为解吸再生实验图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例中的一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其具体步骤如下：

1)取样：选取干燥未变质的甘蔗皮作为原材料；

3)沸水水浴：把清洗后的甘蔗皮置于烧杯中，100℃下水浴30min；

5)烘干：将漂洗的甘蔗皮放置于托盘中，在70℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥24h；

6)超声波辅助盐析处理：将烘干的甘蔗皮置于浓度为0.2mol/L的KCL中，在超声波仪器中水解，超声波功率为150w，温度为64℃，处理时间为30min；

7)冲洗：将超声波辅助盐析处理后的甘蔗皮充分冲洗数次；

8)烘干：将冲洗的甘蔗皮放置于托盘中，在60℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥24h；

9)粉碎：将干燥后的甘蔗皮用粉碎机粉碎，过20目筛，即可得到生物吸附剂。

1.下面通过对比实验验证该生物吸附剂对PM2.5的吸附效果。

(1)以长宽高都为50cm的正方体封闭箱作为实验的基体，用蚊香燃烧产生的气体来模拟PM2.5的污染环境。首先将蚊香燃烧产生的气体充满箱子，静置10min，使气体均匀分布，然后用PM2.5检测仪检测，若数值在500μg/m³左右浮动，就将处理后的改性甘蔗皮平铺于培养皿中放入箱中，开始测吸附率；

(2)采用三因子五水平正交实验组合设计方法进行试验；

(3)利用DPS软件对三因素五水平正交组合设计试验结果进行拟合，获得KCL浓度(mol/L)、超声波时间(min)、超声波温度(℃)对吸附率(Y)的正交模型；

(4)分别通过单因素实验获得材料渣加入量、颗粒径、吸附温度三个因素的最佳吸附点；

(5)相同条件下与硅藻土、活性炭、大孔树脂及竹炭吸附结果对比；

(6)采用扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)观测研究材料对居室内PM2.5的吸附机理。

本实验选用的仪器有：S-4800扫描电镜(日本日立公司)、TENSOR 27傅里叶红外光谱仪(德国布鲁克(Bruker)公司)、OSEN-1A PM2.5检测仪(深圳市奥斯恩净化技术有限公司)。

试剂有：甘蔗皮、蒸馏水自制、KCl(分析纯)。

在相同条件下，通过与硅藻土、活性炭、大孔树脂及竹炭对比得出吸附剂的吸附效果。

本发明制备的甘蔗皮生物吸附剂与硅藻土、活性炭、大孔树脂及竹炭的吸附对比试验：如图1所示，在相同条件下，甘蔗皮生物吸附剂对PM2.5的吸附效果优于硅藻土、活性炭、竹炭及大孔树脂。甘蔗皮生物吸附剂的吸附率远高于竹炭，约为活性炭、大孔树脂吸附率的两倍，比硅藻土的吸附率也要强。

所以相同条件下的甘蔗皮生物吸附剂对PM2.5的吸附能力在一定程度上远远优于硅藻土、活性炭、竹炭及大孔树脂，以此材料作为吸附剂去处理居室内的PM2.5，就克服了目前处理居室内PM2.5的吸附有限、吸附饱和以及价格高昂等缺点。

2.甘蔗皮生物吸附剂二次回归正交旋转组合实验结果与分析

表1 甘蔗皮因素水平编码表

(1)模型的建立与检验

利用DPS数据处理系统对实验结果进行分析得到氯化钾浓度(X₁)、水解温度(X₂)、水解时间(X₃)、吸附率(Y)的数学模型回归方程：

Y＝25.69732+0.99610X₁+0.12175X₂+0.70824X₃-1.17276X₁ ²-0.61061X₂ ²-0.11740X₃ ²+0.02375X₁X₂-0.05625X₁X₃-0.95125X₂X₃。回归关系的显著性检验：X₃在1％水平上达极显著，X₂X₃在1％水平上达较显著。其他项在不同程度上也有一定显著性。

表2 显著性检验表

在显著水平为0.1的条件下，然后通过方差分析求出优化处理后的改性甘蔗皮吸附拟合模型F_失拟＝5.47003＜F_0.01(5,8)＝6.63由此可说明实验中未知因素对实验的实验结果影响较小，可以忽略；F_回归＝7.68937＞F_0.01(9,13)＝4.19达到极显著水平，说明模型成立。

(2)吸附PM2.5的最优组合及验证

采用DPS软件对实验数据进行分析，得出当Y值为Max时，三因素水平(0，-1，1.682)，即氯化钾浓度0.2mol/L，水解温度64.06℃、水解时间30min。此时，预测吸附率Y_max＝27.88。在此吸附条件下，实测吸附率27.37％，实际值/模型最佳值＝0.9817，接近于1，进一步证明此最佳模型可靠。

由甘蔗皮生物吸附剂与活性碳、竹炭、硅藻纯的吸附能力的对比，根据图1中的数据，经方差分析得出：F_种类＝1507.7980，P＝0.0001＜0.01；F_时间＝748.5800，P＝0.0001＜0.01，可知，不同吸附时间和不同材料对PM2.5吸附效果的影响均达1％水平的极显著差异，优化甘蔗皮生物吸附剂的吸附率显著地优于活性炭、竹炭、硅藻纯(表3)。在一定时间内并在相同条件下，各材料净化PM2.5效果如下：改性甘蔗皮生物吸附剂>硅藻土>活性炭>竹炭>大孔树脂，且随着吸附实验时间加大，差距亦随之明显。其中硅藻土净化效果次之，活性炭和竹炭均比大孔树脂效果好，大孔树脂最差。

表3 不同材料对PM2.5吸附的影响(Duncan法)

3、BET测量结果

通过表4的数据分析可以看出改性后的甘蔗皮生物吸附剂比表面积、孔径分布以及微孔容积明显增大，这表明经盐析处理后的改性甘蔗皮生物吸附剂拥有更加优越的吸附条件，对PM2.5具有了吸附的条件。

表4 甘蔗皮BET测试数据表

4、扫描电镜观测

在肉眼观察下，吸附前后的改性甘蔗皮生物吸附剂有较为明显的差别，故采用电镜进行进一步的分析。图a是原始甘蔗皮电镜图；图b、c分别为改性甘蔗皮生物吸附剂吸附前后的电镜图。图a与图b对比明显看出处理过后的改性甘蔗皮生物吸附剂比原始的甘蔗皮更疏松多孔、粗糙、褶皱，且处理过后的改性甘蔗皮生物吸附剂的孔径分布范围增大，并且孔中增添了许多白色物质及吸附的PM2.5，充分说明优化后的改性甘蔗皮生物吸附剂对PM2.5有明显的物理吸附作用。

5、能谱仪分析

表5 元素分析表

用能谱仪对优化改性甘蔗皮生物吸附剂进行元素分析，判断何元素在吸附过程中起主要作用。图3、表5可知改性改性甘蔗皮生物吸附剂含有大量的C、O元素，其次是Na、Mg、Al、Cl、K等。说明改性甘蔗皮生物吸附剂在吸附的过程中，Na、Mg等元素也参与了吸附过程。

6、红外光谱比较

改性甘蔗皮的红外光谱图如4所示。其中a是原始甘蔗皮的红外光谱，b为最优改性甘蔗皮生物吸附剂吸附PM2.5前的红外光谱，c为最优处理改性甘蔗皮生物吸附剂吸附PM2.5之后。改性甘蔗皮生物吸附剂主要成分有纤维素、半纤维素和木质素等。通过光谱在3413cm^-1、1431cm^-1、1637cm^-1、1063cm^-1及609cm^-1处曲线的改变，说明OH、CH、酰胺N基团、C-O及-CH₂在吸附过程中起作用；1431cm^-1处OH键运动改变说明：盐析处理时改性甘蔗皮生物吸附剂的羟基发生改变，证明该基团对PM2.5的吸附有作用。综上所述，改性甘蔗皮生物吸附剂对PM2.5的吸附主要以化学吸附为主，物理吸附为辅。

7、解吸循环再生实验

把吸附过后的渣滓过滤出来，浸入0.1mol/L HCl溶液，恒温振荡解吸3h，滤干用水冲洗至中性，烘干即可，并反复做吸附试验测试其吸附性能。还可以利用暴晒或酸洗脱的方法使吸附饱和的材料脱附，从而多次循环利用。但考虑到暴晒又会将已吸附的PM2.5重新回到空气中，未达到真正的净化目的，所以本实验在前人的研究基础上进行改进，利用HCl处理，达到脱附目的。

图5表示，解吸实验重复5次前，改性甘蔗皮生物吸附剂对PM2.5的吸附率相对较高；解吸循环实验重复5次后，对其PM2.5的吸附率下降较快，第10次解吸实验，吸附率相对达到极限。

实施例2

1)取样：选取干燥未变质的甘蔗皮作为原材料；

3)沸水水浴：把清洗后的甘蔗皮置于烧杯中，100℃下水浴40min；

5)烘干：将漂洗的甘蔗皮放置于托盘中，在60℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥24h；

6)超声波辅助盐析处理：将烘干的甘蔗皮置于浓度为0.5mol/L的KCL中，在超声波仪器中水解，超声波功率为150w，温度为60℃，处理时间为20min；

7)冲洗：将超声波辅助盐析处理后的甘蔗皮充分冲洗数次；

8)烘干：将冲洗的甘蔗皮放置于托盘中，在70℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥20h；

9)粉碎：将干燥后的甘蔗皮用粉碎机粉碎，过120目筛，即可得到生物吸附剂。

实施例3

1)取样：选取干燥未变质的甘蔗皮作为原材料；

3)沸水水浴：把清洗后的甘蔗皮置于烧杯中，100℃下水浴20min；

5)烘干：将漂洗的甘蔗皮放置于托盘中，在65℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥24h；

6)超声波辅助盐析处理：将烘干的甘蔗皮置于浓度为0.05mol/L的KCL中，在超声波仪器中水解，超声波功率为150w，温度设为70℃，处理时间为40min；

7)冲洗：将超声波辅助盐析处理后的甘蔗皮充分冲洗数次；

8)烘干：将冲洗的甘蔗皮放置于托盘中，在65℃、6.67×102Pa恒温鼓风干燥箱中干燥22h；

9)粉碎：将干燥后的甘蔗皮用粉碎机粉碎，过60目筛，即可得到生物吸附剂。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其特征是，具体步骤如下：

1)取样：选取干燥未变质的甘蔗皮作为原材料；

7)冲洗：将超声波辅助盐析处理后的甘蔗皮充分冲洗数次；

2.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其特征是：所述的KCL溶液浓度为0.2mol/L。

3.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其特征是：所述的超声温度为64℃。

4.根据权利要求1所述的一种利用超声波辅助盐析处理制备PM2.5吸附剂的方法，其特征是：所述的超声波处理时间为30min。