论文部分内容阅读
随着人们生活水平的提高,人们对室内环境的要求也日趋增加,大量新建建筑物和室内装修等带来的室内污染物对人体的危害,引起了人们的担忧,在众多室内污染物中,甲醛作为一种危害性极强的室内污染更加备受关注,如何高效去除室内的甲醛已经成为空气净化领域的研究热点。目前市面上常见的除醛方式多种多样,其中采用环境友好型吸附材料是净化甲醛最推宠的方式之一。壳聚糖作为一种可降解的有机高分子材料,因其生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能在许多领域被广泛应用。壳聚糖分子链上丰富的氨基与甲醛发生加成-脱水反应,反应最终产物为席夫碱,从而达到去除甲醛的目的,但由于反应过程缓慢,限制了其在空气净化领域的应用。相关研究表明对壳聚糖进行无机或有机改性可以提高其对不同污染物的吸附活性。因此本课题针对现有壳聚糖吸附材料的缺陷和不足,利用过渡金属的螯合作用将壳聚糖、过渡金属、氨基酸三种物质制备壳聚糖复合物,研究其对气态甲醛的去除效果。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法对氨基化载锰壳聚糖纤维净化甲醛的性能展开研究。首先对制备的氨基化载锰壳聚糖纤维进行预实验,确定实验中的变量,包括二氧化锰用量、氨基酸负载方式、氨基酸种类以及负载用量;然后根据确定的参数设计正交实验,通过正交实验研究了二氧化锰的负载用量、氨基酸的种类、氨基酸的负载用量等因素对甲醛净化效率和单位甲醛净化量的影响,并分析出净化甲醛效果最佳的工况,根据最优工况净化甲醛的实验数据进行了吸附动力学曲线拟合,分析其反应机理;接着为了确定二氧化锰和甘氨酸的加入对材料形貌、结晶性、官能团产生的影响,对最优的工况和纯壳聚糖纤维进行扫描电镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等测试;最后利用CFD模拟除醛材料CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g在1m~3环境舱内吸附甲醛过程中,1m~3环境舱内部甲醛浓度的分布以及速度分布情况。研究结果表明:（1）二氧化锰的负载用量对除醛材料净化甲醛的影响较大。当二氧化锰的负载用量由0克、1克、2克依次递增时,本课题组所制备的除醛材料随着二氧化锰负载用量的增加,单位甲醛净化量和甲醛净化效率逐渐增大。其中当二氧化锰负载用量为2克时,制备的除醛材料CS/8.17g-MnO2/2g-AA/0g在1m~3环境舱吸附10小时后,CS/8.17g-MnO2/2g-AA/0g的单位甲醛净化量和甲醛净化效率达到最大值,分别为2.733 mg/m~2、45.367%。其次是CS/8.17g-MnO2/1g-AA/0g,单位甲醛净化量为2.256mg/m~2,甲醛净化效率为37.670%;CS/8.17g-MnO2/0g-AA/0g,单位甲醛净化量为1.651mg/m~2,甲醛净化率为27.151%。（2）氨基酸种类对除醛材料净化甲醛的的影响较大。其中未负载氨基酸的CS/8.17g-MnO2/2g-AA/0g的单位甲醛净化量比负载甘氨酸和赖氨酸的除醛材料要差,为2.733 mg/m~2,甲醛净化效率为45.367%;其次是负载赖氨酸的CS/8.17g-MnO2/2g-K/1g,单位甲醛净化量为3.221 mg/m~2,甲醛净化效率为53.578%;负载甘氨酸的CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g除醛效果最佳,单位甲醛净化量为5.023 mg/m~2,甲醛净化效率达83.237%。（3）氨基酸负载用量对除醛材料净化甲醛的影响较大。CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g的甲醛净化效果最佳,单位甲醛净化量为5.023 mg/m~2,甲醛净化效率为83.237%;其次是甘氨酸负载用量为2克的CS/8.17g-MnO2/2g-G/2g,单位甲醛净化量为4.384mg/m~2,甲醛净化效率为73.489%;最后是甘氨酸负载用量为3克的CS/8.17g-MnO2/2g-G/3g,单位甲醛净化量为4.233 mg/m~2,甲醛净化效率为70.543%。（4）课题组通过正交实验的结果分析可知,CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g的除醛效果最佳。故选取除醛材料CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g在1m~3环境舱中吸附10小时的甲醛浓度变化的实验数值,进行吸附动力学模型的拟合,结果分析可知:准二级动力学模型更符合除醛材料CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g对甲醛吸附的动力学,表明吸附主要是化学吸附。（5）通过扫描电镜观察形貌可知,纯壳聚糖纤维（CS/8.17g-MnO2/0g-AA/0g）表面光滑,纤维间疏松排列;CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g在负载二氧化锰和甘氨酸后,单根壳聚糖纤维上较为粗糙,可以清楚地看到壳聚糖以块状胶体的形式附着在表面上,结构疏松,呈层状排列,并具有一定的孔隙,这说明二氧化锰和甘氨酸较好的负载在壳聚糖纤维上。（6）通过傅里叶变换红外光谱分析可知,纯壳聚糖纤维（CS/8.17g-MnO2/0g-AA/0g）1587cm-1处存在两个N-H伸缩振动小峰,而在同样的波长下CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g伸缩振动峰变成一个且伸缩振动峰增大,这说明负载甘氨酸后未发生化学反应以及负载后氨基的数量增多;与负载前红外光谱曲线相比,负载后的CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g曲线在567 cm-1处出现了新的特征吸收峰,这是由于Mn-O伸缩振动引起的,由此可知锰已经成功复合进入壳聚糖。负载的过程并没有发生化学反应。甘氨酸和二氧化锰时通过物理负载与壳聚糖纤维上。（7）通过X射线衍射光谱分析可知,CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g比CS/8.17g-MnO2/0g-AA/0g衍射峰强度有所增强,CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g的结晶性有所上升。这是主要是因为CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g在负载甘氨酸时,经烘干会使得液态的甘氨酸析出结晶,从而导致CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g复合纤维结晶程度增强。（8）采用数值模拟方法,对除醛材料CS/8.17g-MnO2/2g-G/1g在1m~3环境舱中的吸附甲醛能力进行探究,计算分析甲醛浓度在1m~3环境舱中的分布以及空气速度分布,得到在1m~3环境舱中甲醛浓度分布与速度分布相对均匀的结论。