CN113263572B - 一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，属于木材改性技术领域。上述方法包括：预处理：通过调温调湿对待处理木材进行气干处理，使含水率约达到25‑30％；氧化处理：将气干的木材完全浸泡在过硫酸盐溶液中一段时间，然后45‑55℃超声处理；循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数0‑5次；然后烘干即可。本发明采用超声活化过硫酸盐产生硫酸根自由基氧化降解木材中的VOCs，同时通过超声振荡等行为增加木材的渗透性，促使抽提物从细胞壁和导管内壁脱附下来，超声波的多重作用进一步提高自由基对抽提物氧化分解作用。

Description

一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法
技术领域
本发明涉及木材改性技术领域，具体提供一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法。
背景技术
木材是可再生的生物质材料，对人类的生活起着很大的支持作用，多用于结构用材、家具制造以及室内装饰。但木材本身所含有的抽提物(如挥发油、芳香族化合物)等挥发作用，使木材在加工利用过程中分解而释放出对人体有危害的挥发性有机化合物(VOCs)以及令人不愉快的气味，如杉木心材带有刺鼻味道、雪松有辛辣味、椴木有腻子味等。随着物质丰富和精神追求多元化的趋势，人类对自己居住的环境空间给予越来越多的关注，为了改善木材环境与人体健康的关系，满足人类对居住环境的精神追求，助推木材加工行业实现绿色生产，家具制造行业实现环保升级，有必要对木材中的VOCs去除做出相应的处理办法。
化学药剂法如酸碱处理，去除抽提物效率高，但存在木材三大素损失大、设备腐蚀强以及环境污染严重等问题。溶剂萃取法是试验室普遍去除抽提物的方法，但操作复杂、周期长、毒性大，这种方法应用于工业生产时，可取的一定效果，但存在成本高、安全性低、试剂回收处理困难以及设备投资高等问题。物理法如高温干燥、真空干燥等方法，存在处理效果差、周期长、能耗大等问题。
上述几种抽提物去除方法，处理工艺复杂，对人体和环境具有一定的危害，对木材质量也有影响，还存在处理成本高，周期长，能耗大等问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，本发明采用超声活化过硫酸盐产生硫酸根自由基氧化降解木材中的VOCs，通过超声波的空化作用，在微小区域瞬间高温高压下分解过硫酸盐产生强氧化性的硫酸根自由基，同时通过超声振荡等行为增加木材的渗透性和促使抽提物从细胞壁和导管内壁脱附下来，超声波的多重作用进一步提高自由基对抽提物氧化分解作用。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
本发明提供一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，包括：
步骤1：预处理：通过调温调湿对待处理木材进行气干处理，使含水率约达到25-30％；
步骤2：氧化处理：将气干的木材完全浸泡在过硫酸盐溶液中一段时间，然后45-55℃超声处理；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数2-5次；然后烘干即可。
进一步的，所述步骤2中，过硫酸盐溶液浓度为1-3mmol/L，pH值为3-5，浸泡时间为2-4小时。
优选的，所述过硫酸盐为过硫酸钾、过硫酸钠或者过硫酸铵。
进一步的，所述超声处理的超声功率210-270W，处理时间1.5-2h。
优选的，所述步骤2中，木材为碎木片或木粉时，与过硫酸盐溶液的固液比为1:10-1:15。或者，所述步骤2中，木材为木板或原木时，过硫酸盐溶液没过木材1-2cm。
优选的，所述循环处理循环次数为3次
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
与现有的方法相比，本发明相比芬顿反应体系，具有半衰期更长和氧化电位更高的硫酸根自由基，对有机物具有强氧化分解作用。该方法处理工艺简单、去除率高、绿色环保。处理过程只涉及超声和过硫酸盐溶液，只需控制过硫酸盐的浓度、pH值和超声功率，就可以实现去除木材中VOCs以及令人不愉快的气味的同时有效的减少对环境的污染。
本发明能够有效的去除木材中抽提物，减少木材在加工和使用过程VOCs的生成和挥发，避免产生令人不愉快的气味。通过超声和高级氧化双重作用，不仅可以去除木材中的抽提物，也可以使细胞纹孔数量增多和孔径增大。因此作为木材干燥预处理，不仅可以减少VOCs排放，避免对环境的污染和工人的人体危害，同时也利于干燥过程中水分扩散，缩短干燥周期，节约能耗。由于该方法有效的去除木材的抽提物，提高木材渗透性，因此在人造板生产中，也有利于提高单板等胶接强度。
附图说明
图1为本发明实施例1中的人工林杉木心材原始木粉利用GC-MS检测得到的TIC图；
图2为本发明实施例1中的处理后的木粉利用GC-MS检测得到的TIC图；
图3为本发明对比例1中的处理后的木粉利用GC-MS检测得到的TIC图；
图4为本发明实施例2中的人工林杉木心材原始木块利用GC-MS检测得到的TIC图；
图5为本发明实施例2中的处理后的木块利用GC-MS检测得到的TIC图；
图6为本发明对比例2中的处理后的木块利用GC-MS检测得到的TIC图；
图7为本发明实施例2和对比例2中的处理后的木板的SEM图；其中，未处理木材(a1,a2)；对比例2超声单独处理(b1,b2)；实施例2超声/过硫酸盐处理(c)；K元素的EDX图像(d)；
图8为本发明实施例3中的新疆杨原始木块利用GC-MS检测得到的TIC图；
图9为本发明实施例3中的处理后的木块利用GC-MS检测得到的TIC图；
图10为本发明对比例3中的处理后的木块利用GC-MS检测得到的TIC图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例进行详细描述。
本发明所用材料如无特殊说明，均可经过商业途径得到。待处理木材选择具有刺激气味的人工林杉木心材和抽提物较多的新疆杨。
本发明提供一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，具体实施例如下。
实施例1
一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，包括：
步骤1：预处理：待处理木材为人工林杉木心材，规格为20目木粉，初含水率约为70％，对待处理木粉进行气干处理，使其含水率达30％；
步骤2：氧化处理：取20目的木粉20g，置入试管中，再加入浓度为3mmol/L的过硫酸钾溶液200g，pH值为4.2，晃动后使木粉完全浸泡在过硫酸钾溶液中，将其放入超声清洗器中进行超声处理，超声功率210W，温度设定50℃，超声时间120min，超声期间利用搅拌桨进行搅拌，转数适当；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，然后30-40℃烘干即可。
实施例2
一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，包括：
步骤1：预处理：待处理木材为人工林杉木心材，规格为30×20×5mm(长×宽×厚)木块，初含水率约为70％，对待处理木块进行气干处理，使其含水率达30％；
步骤2：氧化处理：取设定规格的木块15块，置入烧杯中，再加入浓度为3mmol/L和pH值为4.2的过硫酸钾溶液，使溶液刚好没过木块2cm左右并保持木块处于液面下，浸泡4小时；将其放入超声清洗器中进行超声处理，超声功率210W，温度设定50℃，超声时间120min；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数3次；然后30-40℃烘干即可。
实施例3
一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，包括：
步骤1：预处理：待处理木材为新疆杨，规格为30×20×5mm(长×宽×厚)木块，初含水率约为50％，对待处理木块进行气干处理，使其含水率达30％；
步骤2：氧化处理：取设定规格的木块15块，置入烧杯中，再加入浓度为3mmol/L和pH值为4.2的过硫酸钾溶液，使溶液刚好没过木块2cm左右并保持木块处于液面下，浸泡4小时；将其放入超声清洗器中进行超声处理，超声功率210W，温度设定50℃，超声时间120min；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数3次；然后30-40℃烘干即可。
实施例4
一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，包括：
步骤1：同实施例2；
步骤2：氧化处理：取设定规格的木块15块，置入烧杯中，再加入浓度为1mmol/L和pH值为3.2的过硫酸钠溶液，使溶液刚好没过木块2cm左右并保持木块处于液面下，浸泡3小时；将其放入超声清洗器中进行超声处理，超声功率270W，温度设定45℃，超声时间1.5h；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数2次；然后30-40℃烘干即可。
实施例5
一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，包括：
步骤1：预处理：同实施例3；
步骤2：氧化处理：取设定规格的木块15块，置入烧杯中，再加入浓度为2mmol/L和pH值为4.9的过硫酸铵溶液，使溶液刚好没过木块1cm左右并保持木块处于液面下，浸泡2小时；将其放入超声清洗器中进行超声处理，超声功率250W，温度设定55℃，超声时间2h；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数5次；然后30-40℃烘干即可。
为进一步说明本发明的有益效果，因篇幅有限仅以部分实施例为例构建如下对比例。
对比例1
本对比例以去离子水替换过硫酸钾溶液，其余条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例以去离子水替换过硫酸钾溶液，其余条件与实施例2相同。
对比例3
本对比例以去离子水替换过硫酸钾溶液，其余条件与实施例3相同。
对比例4
本对比例以同浓度的过氧化氢替换过硫酸钾溶液，其余条件与实施例2相同。
对比例5
本对比例步骤2为：取设定规格的木块15块，置入烧杯中，再加入浓度为3mmol/L和pH值为4.2的过硫酸钾溶液，使溶液刚好没过木块2cm左右并保持木块处于液面下，浸泡4小时；其余步骤与实施例2相同。
对比例6
本对比例步骤2为：取设定规格的木块15块，置入烧杯中，再加入浓度为3mmol/L和pH值为4.2的过硫酸钾溶液，使溶液刚好没过木块2cm左右并保持木块处于液面下，浸泡4小时。然后将其放入超声清洗器中温度设定50℃，浸泡120min；其余步骤与实施例2相同。
利用顶空固相微萃取与气相质谱联用仪(HS/SPME/GC-MS)联合技术检测方法，对上述实施例和对比例处理后的木材以及原始素材进行检测：将木材冷冻粉碎成40目木粉，测定木材在一定温度条件的VOCs的主要组分和含量。实施例1中VOCs主要组分氧化降解效果见表1，VOCs的总降解率见表2。
表1
Figure BDA0003079586740000061
Figure BDA0003079586740000071
表2
序号 萜烯类％ 醇类％ 酯类％ 总降解率％
实施例1 75.54 91.93 77.93 83.62
对比例1 68.68 88.63 71.86 76.39
由表1和表2和图1-3可知，超声/过硫酸盐高级氧化技术相比于单独超声(对比例1)氧化效果提高了6.8％。尤其是萜烯类和醇类化合物利用超声/过硫酸盐高级氧化技术氧化降解效果有明显提高。
实施例2和对比例2、4-6的VOCs的总降解率见表3。
表3
序号 萜烯类％ 醇类％ 酯类％ 总降解率％
实施例2 44.46 61.85 52.23 52.84
对比例2 26.81 36.54 23.39 28.91
对比例4 37.11 48.56 51.73 40.01
对比例5 14.72 17.83 7.65 14.13
对比例6 21.03 25.33 19.47 22.57
由表3和图4-6以及处理前后的木材微观形貌见附图7可知，可见木材的纹孔破裂，孔内和周围的抽提物减少，甚至完全被清除。
实施例3中VOCs主要组分氧化降解效果见表4，VOCs的总降解率见表5。
表4
Figure BDA0003079586740000081
表5
序号 醛类％ 烯烃类％ 烷烃类％ 醇酮呋喃类％ 芳香化合物％ 总降解率％
实施例3 49.30 100.00 100.00 63.62 100.00 61.16
对比例3 17.31 89.33 100.00 35.69 27.74 31.44
由表4和表5和图8-10可知，超声/过硫酸盐高级氧化技术相比于单独超声(对比例3)氧化效果大大提高。尤其是烯烃类和芳香化合物利用超声/过硫酸盐高级氧化技术氧化降解效果有明显提高。
同时本发明实施例4-5的VOCs的总降解率见表6。
表6
序号 醛类％ 烯烃类％ 烷烃类％ 醇酮呋喃类％ 芳香化合物％ 总降解率％
实施例4 - 65.29 - 77.09 53.82 70.24
实施例5 41.27 92.11 100 74.05 100 58.97
注：“-”无该类物质或含量低于0.05％
由表6可知，本发明的方法能够有效去除木材中含有的各类抽提物，减少木材加工过程中VOCs的挥发。
综上可知，本发明通过超声和高级氧化双重作用，能够有效的去除木材中抽提物，减少木材在加工和使用过程VOCs的生成和挥发，避免产生令人不愉快的气味。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，其特征在于，由以下步骤组成：
步骤1：预处理：通过调温调湿对待处理木材进行气干处理，使含水率约达到25-30％；
步骤2：氧化处理：将气干的木材完全浸泡在过硫酸盐溶液中2-4小时，过硫酸盐溶液浓度为1-3mmol/L，pH值为3-5，然后45-55℃超声处理，超声处理的超声功率210-270W，处理时间1.5-2h；
步骤3：循环处理：氧化处理结束后，将处理后的木材取出，重复步骤2进行处理，循环次数0-5次；然后烘干即可。
2.根据权利要求1所述的利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，其特征在于，所述过硫酸盐为过硫酸钾、过硫酸钠或者过硫酸铵。
3.根据权利要求1所述的利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，其特征在于，所述步骤2中，木材为碎木片或木粉时，与过硫酸盐溶液的固液比为1:10-1:15。
4.根据权利要求1所述的利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，其特征在于，所述步骤2中，木材为木板或原木时，过硫酸盐溶液没过木材1-2cm。
5.根据权利要求1所述的利用超声活化过硫酸盐降解木材中VOCs的方法，其特征在于，所述循环处理循环次数为3次。
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