室内SO2 NO2 甲醛的吸附材料改性实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 896.94KB 88 页 15积分

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摘要

近年来，随着城市建设步伐的加快，人口密度不断增加，汽车的拥有量不断

上升，人们在生产生活中不断向外排出废气，致使大气污染严重，使得新风不“新”，

即使增加室内新风量，也难以改善室内空气品质。室外空气甚至超过室内空气质

量标准，若向室内直接引入室外空气，不仅不能起到稀释的作用，反而造成空气

品质的进一步恶化。针对这种现实情况，为了保证室内空气品质，有必要进行室

内空气净化，国内外标准提出了环境与室内多种污染气体浓度限值，其中二氧化

硫、二氧化氮和甲醛这三种气体污染严重且对人体健康危害较大，故研究此三种

气体的净化至关重要。不仅于此，考虑普通活性炭吸附反应主要是物理吸附，为

了得到更佳的吸附效果，本课题经过比较分析和适用性分析，选择并制备KOH 改

性活性炭

本课题首先讨论多种净化技术，活性炭因其比表面积大、吸附容量大、能选

择性吸附二氧化硫和二氧化氮、具有良好的机械强度和均匀的颗粒尺寸、来源广

泛、价格低廉等优势，被认为是最佳室内污染气体吸附剂，采用活性炭吸附的方

式净化二氧化硫和二氧化氮为最佳选择，考虑到活性炭的部分局限性，为了得到

更好的吸附净化效果，本课题进一步分析改性活性炭，选择并制备KOH 改性活性

炭，之后进行实验研究，并与普通活性炭进行比较；对于甲醛的净化，本课题选

用高锰酸钾球进行吸附实验；待吸附剂选定后，本文对不同吸附质与吸附剂组合

进行反应机理分析，其中考虑到 KOH 活性炭与高锰酸钾球混合物对二氧化硫和二

氧化氮的化学反应，理论分析认为此吸附剂混合物能得到最佳的吸附效果；下一

步建立反应器模型，得出吸附效率、吸附速率方程和吸附等温线的计算方法；最

后，在实验中，分别采用改变气流速度和改变入口污染气体浓度的方法，测试不

同的吸附剂和吸附剂组合的吸附段前后浓度。

经过实验数据分析得出，二氧化硫和二氧化氮对应的最佳吸附剂均为50%体

积分数 KOH 活性炭+50%体积分数的高锰酸钾球，且气流速度越小，吸附效率越高；

入口气体污染物浓度越大，吸附量越大，但是吸附效率不一定提高，因为它和吸

附速率有关。本文还得出了四组不同吸附剂与吸附质的吸附速率方程，其结果表

明50%体积分数 KOH 活性炭+50%体积分数的高锰酸钾球对于二氧化硫的吸附速

率与KOH 活性炭相比并无明显优势，而前者对于二氧化氮的吸附速率与后者相比

略有提高，且不管采用何种吸附剂，二氧化硫的吸附速率大于二氧化氮。本文还

得出了四组不同吸附剂与吸附质的吸附等温线，为了使二氧化硫和二氧化氮满足

国内外标准的最高要求，即小时平均值0.23

/mmg ，得出当吸附剂为KOH 活性炭，

二氧化硫入口浓度须低于19.75 3

/mmg ，二氧化氮浓度须低于0.289 3

/mmg 可以满

足要求；当吸附剂为普通活性炭，二氧化硫入口浓度低于4.166 3

/mmg ，二氧化氮

浓度低于0.24 3

/mmg 可以满足要求。

关键词：室内空气净化二氧化硫二氧化氮甲醛吸附模型

吸附速率吸附等温线

ABSTRACT

In recent years, with the accelerating pace of urban construction, the increasing

population , the rising car ownership, people constantly exhaust polluting gases, which

has caused serious air pollution, the so called "fresh air" has not been "fresh" any more,

even if we do ventilation, it is difficult to improve indoor air quality. Sometimes

outdoor air condition even beyond the indoor air quality standards, thus, ventilation can

not meet the dilutive demand by pulling in outdoor air directly, which may deteriorate

the indoor air quality. Regarding this reality, in order to guarantee the quality of indoor

air, many countries have put forward concentration limits of varieties of polluting gases,

including sulfur dioxide, nitrogen dioxide and formaldehyde, these three polluting gases

do great harm to human's health, it is essential to study those three gases’ purification.

The object firstly described many purification technologies, after the analysis of the

applicability and economy, activated carbon was chosen as the best adsorption

purification of sulfur dioxide and nitrogen dioxide , because of the disadvantages of

activated carbon, in order to get a better adsorption purification effect, the object

analyze the KOH modified activated carbon, and compared it with ordinary activated

carbon; as to the purification of formaldehyde, the potassium permanganate ball was the

best choice, then the mechanism analysis of different adsorbate and adsorbent

combinations were made, which took the mixture of KOH activated carbon and

potassium ball into account, the theory analysis showed that this adsorbent mixture had

the best adsorption effect; the next step, the reactor math-physics model was built, there

deduces adsorption efficiency, adsorption rate equation, and the adsorption isotherm ;

Finally, we do experiments by changing the air flow velocity ,or changing the

concentration of polluting gases, then the concentrations before and after the reactor of

different adsorbents were tested and noted down.

Deriving from the analysis of the experimental data, the best adsorbent of sulfur

dioxide or nitrogen dioxide is the mixture of 50% KOH activated carbon and 50%

volume fraction of the potassium permanganate ball, and the lower the gas velocity, the

higher the efficiency of adsorption; the higher the concentration of gas pollutants, the

greater the amount of adsorption. The thesis also calculated four adsorption rate

equations of different sets of adsorbent and adsorbate , and regarding the sulfur dioxide

adsorption rate, the result showed that the mixture of 50% volume fraction KOH

activated carbon and 50% volume fraction of potassium permanganate ball has no

obvious advantages when comparing with KOH modified activated carbon, while

regarding to the nitrogen dioxide adsorption rate, the former is a little better than the

latter, and we got another conclusion, whatever the adsorbent is ,the sulfur dioxide

adsorption rate is greater than nitrogen dioxide. Finally, the thesis also calculated four

adsorption isotherms of four groups of different adsorbents and adsorbents, in order to

meet the highest requirements of the domestic and international standards of sulfur

dioxide and nitrogen dioxide -- the hour-average 0.2 3

/mmg , when the adsorbent is

KOH modified activated carbon, the inlet concentration of sulfur dioxide should be

below 19.75 3

/mmg , the inlet concentration of nitrogen dioxide concentration should be

lower than 0.289 3

/mmg ; when the adsorbent is ordinary activated carbon, the inlet

concentration of sulfur dioxide should be below 4.166 3

/mmg , the inlet concentration

of nitrogen dioxide concentration should be lower than 0.240 3

/mmg .

Key word: indoor air purification, sulfur dioxide, nitrogen dioxide,

formaldehyde, adsorption model, adsorption rate, adsorption isotherm

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 课题研究背景 .................................................... 1

1.2 SO2/NO2/甲醛的污染现状与危害 .................................... 4

1.2.1 二氧化硫的污染现状与危害 .................................. 4

1.2.2 二氧化氮的污染现状与危害 .................................. 4

1.2.3 甲醛的污染现状与危害 ...................................... 5

1.3 国内外空气质量标准 .............................................. 5

1.3.1 中国空气质量标准 ......................................... 6

1.3.2 世界卫生组织（WHO）的空气质量标准 ........................ 7

1.3.3 美国空气质量标准 .......................................... 8

1.3.4 综合国内外空气质量标准 .................................... 9

1.4 本课题研究的主要内容 ........................................ 9

第二章 SO2/NO2/甲醛的净化处理技术比较分析 .......................... 11

2.1活性炭吸附净化技术 .............................................. 11

2.2硅胶吸附净化技术 ................................................ 11

2.3 分子筛吸附净化技术 ............................................. 12

2.4 活性氧化铝吸附净化技术 ......................................... 13

2.5活性炭纤维吸附净化技术 .......................................... 13

2.6 活性高锰酸钾球吸附净化技术 ..................................... 14

2.7 TiO2光催化剂净化技术 ........................................... 14

2.8 低温等离子体净化技术 ........................................... 15

2.9多种净化技术比较分析 ............................................ 15

2.9.1 吸附剂性质参数比较 ....................................... 15

2.9.2 吸附剂的吸附量比较 ....................................... 17

2.9.3 吸附剂价格比较 ........................................... 17

2.9.4 最优吸附剂的确定 ......................................... 18

2.10 本章小结 ....................................................... 19

第三章吸附材料在吸附 SO2/NO2/甲醛中的应用 ......................... 20

3.1 活性炭在吸附 SO2/NO2中的应用 ................................... 20

3.1.1 活性炭吸附 SO2/NO2的机理分析 ............................. 20

3.1.2 改性活性炭的提出及研究进展 ............................... 21

3.1.2.1改性活性炭的提出 ........................................ 21

3.1.2.2改性活性炭的研究进展 .................................... 22

3.2活性炭改性处理及其吸附二氧化硫/二氧化氮机理分析 ................. 22

3.2.1 改性活性炭的选择 ......................................... 22

3.2.2 改性活性炭的制备 ......................................... 23

3.2.2.1 改性用设备和试剂 ...................................... 23

3.2.2.2 改性活性炭的制备方法 .................................. 23

3.3 活性炭改性前后物理和化学特性的测定和分析 ....................... 23

3.3.1 活性炭改性前后物理特性 ................................... 23

3.3.2 活性炭改性前后化学特性的测定与结果分析 ................... 24

3.4 吸附材料吸附 SO2/NO2/甲醛的机理分析 ............................ 24

3.4.1 KOH 改性活性炭吸附 SO2/NO2的机理分析 .................... 24

3.4.2 活性高锰酸钾球吸附甲醛机理分析 ........................... 25

3.4.3 改性活性炭与活性高锰酸钾球共同吸附 SO2/NO2的机理分析 ..... 25

3.5 本章小结 ....................................................... 25

第四章反应器模型的建立 ............................................ 26

4.1 反应器模型建立的假设 ........................................... 26

4.2 反应器模型的建立 ............................................... 27

4.3 反应器模型分析 ................................................. 27

4.3.1 吸附段速率方程 ........................................... 28

4.3.2吸附效率的计算 ............................................ 31

4.3.3吸附等温线的确定 .......................................... 31

4.4 本章小结 ....................................................... 32

第五章实验装置与方案 .............................................. 33

5.1 实验装置设计 ................................................... 33

5.1.1 实验空气系统的设计 ....................................... 33

5.1.2 净化试验件的设计 ......................................... 34

5.1.3 实验用气体的设计计算 ..................................... 35

5.2 实验方案 ....................................................... 36

5.2.1 实验目的 ................................................. 36

5.2.2 实验方法及原理 ........................................... 37

5.2.3 SO2/NO2吸附实验步骤 .................................... 41

5.2.4 甲醛测定实验原理及步骤 .................................. 43

第六章实验结果与数据分析 .......................................... 45

6.1 最佳吸附条件的研究 ............................................. 45

6.1.1 入口浓度对吸附反应的影响 ................................. 45

6.1.2 气流速度对吸附反应的影响 ................................. 47

6.1.3 SO2/ NO2气体对应最佳吸附剂的选择 ........................ 49

6.2 吸附速率方程 ................................................... 50

6.2.1 KOH 活性炭对二氧化氮的吸附速率方程....................... 51

6.2.2 50% KOH 活性炭与 50%高锰酸钾球对二氧化氮的吸附速率方程 ... 52

6.2.3 KOH 活性炭对二氧化硫的吸附速率方程....................... 53

6.2.4 50%体积分数 KOH 活性炭与 50%高锰酸钾球对二氧化硫的吸附速率方

程 ................................................................. 55

6.2.5 不同吸附剂和吸附质的吸附速率比较 ......................... 56

6.3吸附等温线的确定 ................................................ 57

6.3.1 KOH 活性炭对二氧化硫的吸附等温线......................... 57

6.3.2 普通活性炭对二氧化硫的吸附等温线 ......................... 61

6.3.3KOH 活性炭对二氧化氮的吸附等温线.......................... 63

6.3.4 普通活性炭对二氧化氮的吸附等温线 ......................... 65

6.3.5 不同吸附剂和吸附质的吸附等温线比较 ....................... 68

6.4高锰酸钾球吸附甲醛实验数据分析 .................................. 69

6.5 本章小结 ....................................................... 71

第七章结论与展望 .................................................. 73

7.1 主要研究成果 ................................................... 73

7.2 课题展望 ....................................................... 75

参考文献 ........................................................... 76

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 82

致谢 .............................................................. 83

第一章绪论

1.1 课题研究背景

随着我国经济的快速发展和城市化、工业化水平提高。人们的生活方式正发

生着急剧变化。继“光化学烟雾型”、“煤烟型”污染后，最近一项专家研究报告

表明，现代人正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期[1]。室内空气污染

已被世界银行列为全球四个关键的环境问题之一，全球每年因此而导致死亡的人

数达280 万人[2]。室内环境空气污染的水平一般比室外环境污染要高得多，通常为

2-5倍，极端情况下，可超过100 倍，因此室内空气质量研究已成为现代建筑科学

的前沿研究课题，研究目的就是创造一种卫生、健康、舒适的室内空气环境[3]。

近几十年来，室内空气质量研究在国际上发展迅速。不止于此，“十一五”863

计划资源环境技术领域战略这一目标，开展的重点研究项目为“室内典型空气污

染物净化技术与设备”，主要将围绕高效快速安全治理有机污染物和有害微生物关

键控制研究，重点研究开发新型环境净化材料、环境净化技术和环境净化设备，

并开展相应的应用示范，为我国室内环境污染治理提供有力的技术支撑。

提高室内空气质量，则可以有效降低人类健康面临的风险。人们近些年对大

气质量的关注度不断提高，了解了空气污染与健康的内在联系，但对室内空气给

健康带来的威胁还了解不多，重视不够，这种情况在高、中、低收入的国家都普

遍存在[3]。

早期的空气净化研究主要集中于空气污染物中有机物的净化研究、空气中颗

粒物的过滤、通风等方面。1999 年，万福成[4]等学者采用氨水、苯胺对活性炭进

行改性，结果发现，活性炭表面微晶结构发生改变，空隙半径增大。2000 年，兰

州铁道学院学者[5]通过对活性炭纤维过滤器在室内空气净化进行试验研究，实验证

明活性炭纤维过滤器可以有效地去除室内空气中二氧化硫(SO2)、氮氧物(NOx)等

有害气体。同年，华东理工大学教育部超细材料反应工程开放实验室[6]采用浸涂法

在活性炭空气净化网上负载纳米二氧化钛，在紫外光的照射下，净化网对一氧化

碳、甲醛、硫化氢等污染物的净化能力明显增强。范延臻等学者研究活性炭表面

化学特性对其吸附性能产生显著影响 [7]。2001 年，Yu-Chun Chiang 和Pen-Chi

Chiang 研究了活性炭微孔构造和温度对于VOC 吸附作用的影响[8]。东南大学热能

工程研究所的学者介绍了一种联合脱硫脱硝的新工艺，指出了该工艺的优缺点及

发展方向,对我国治理大气污染有重要的借鉴意义[9]。2002 年，中国科学院山西煤

室内SO2/NO2/甲醛的吸附材料改性实验研究

炭化学研究所的学者研究活性炭纤维的脱硫性能 [10]。 2003 年，Tsang-Jung Chang；

Mei-Yu Huang 结合了CFD 和多房间的污染物输移的综合空气质量模型，利用CFD

模型进行了大涡的三维湍流流动及污染物输移过程模拟，利用多间污染物输移模

型进行纬向气流和室内污染物模拟，对靠近繁忙的道路交通污染对周边建筑室内

空气质量的影响进行研究,它的结论是迎风面的开敞是影响室内空气质量的重要

因素[11]。2005 年，Ao， CH ；Lee， SC 研究了空气净化器中，固定在活性炭过

滤器上的光催化剂二氧化钛的净化效果[12] 。I. E. AGRANOVSLI 和S.

MOUSTAFA 针对活性炭负载纤维过滤器同时去除颗粒物和气态污染物进行性能

研究[13]。李同川等人以煤为原料试制了脱硫脱硝活性炭，并模仿烟道气条件进行

了脱硫脱硝实验 [14]。2006 年，东南大学的学者提出了一种将生物质能利用与燃煤

污染控制相结合的生物质能利用的新方法 [15]。同年，北京理工大学化工与环境学

院的学者庞成勇应用活性炭进行了氮氧化物(NOx)的吸附试验研究，研究结果表

明，不同种活性填料对于吸附性能影响显著[16]。北京动力源科技股份有限公司的

学者介绍了脉冲宽度调制(PWM)技术在电子风道式空气净化设备中的应用 [17]。北

京工业大学的学者在多种酸雾吸附剂的基础上研制成功一种新型吸附剂，具有吸

附速率高，吸附容量大，原料价格低等优点 [18]。2007 年，华中科技大学的学者针

对改性处理活性炭纤维吸附氧化脱除SO<,2>/NO<,X>/Hg 进行研究，建立了ACF

脱除SO2/NO/Hg 反应器内浓度瞬态分布的数学模型，并将 ACF 与GAC 的传递

过程进行了比较[19]。2008 年，中国石油大学的学者研究叶酸和VB1 在炭纤维和淀

粉基活性炭上的吸附和脱附能力[20]。清华大学的学者针对钙基吸收剂物性对于脱

除NO2/SO2 效果影响进行实验研究 [21]。华北电力大学学者刘风等人以 NaClO2

溶液为吸收剂,在自行设计的小型鼓泡反应器中进行了烟气同时脱硫、脱硝的实验

研究,分析了影响脱除效率的各种因素及规律 [22]。2009 年，华南理工大学的学者

研制一种基于PICl6C877 单片机的新型空气净化机，创新之处在于综合利用活性

炭吸附、HEPA 过滤和高压静电处理三种空气净化技术 [23]。天津大学的学者研制

了一种特殊密闭环境中(如坑道)的综合空气净化设备，它在保证清除空间内主要

的几种污染物的前提下，不对空间造成额外的破坏或负担[24]。2010 年，上海交通

大学金属基复合材料国家重点实验室重点论述了活性炭在酸性污染气体治理中的

应用，详细介绍了影响单一吸附技术效果的主要因素和复合吸附技术的主要改性

方式[25]。同年，Nowicki, P 和Pietrzak, R利用松木屑的物理活化制备碳质吸附

剂，并测试其在干和湿条件下对二氧化氮的吸附能力 [26]。华北电力大学的学者在

用浓硝酸、氢氧化钾化学改性活性炭的基础上,使用专门设计的微波发生器对活性

炭进行热处理,制备了一种高效的活性炭吸附剂用于烟气脱硫脱硝 [27]。 2011 年，

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摘要近年来，随着城市建设步伐的加快，人口密度不断增加，汽车的拥有量不断上升，人们在生产生活中不断向外排出废气，致使大气污染严重，使得新风不“新”，即使增加室内新风量，也难以改善室内空气品质。室外空气甚至超过室内空气质量标准，若向室内直接引入室外空气，不仅不能起到稀释的作用，反而造成空气品质的进一步恶化。针对这种现实情况，为了保证室内空气品质，有必要进行室内空气净化，国内外标准提出了环境与室内多种污染气体浓度限值，其中二氧化硫、二氧化氮和甲醛这三种气体污染严重且对人体健康危害较大，故研究此三种气体的净化至关重要。不仅于此，考虑普通活性炭吸附反应主要是物理吸附，为了得到更佳的吸附效果，本课题经过比...

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