陳希堯 李學(xué)輝
(上海市計量測試技術(shù)研究院 上海 200233)
隨著人們對生活品質(zhì)要求的提高,市面上銷售(簡稱“市售”)的裝飾裝修材料越來越多樣、美觀、復(fù)雜[1]。新一代年輕人對美的追求在家居裝飾裝修上體現(xiàn)的淋漓盡致,材料的選擇從最初的地磚、涂料、木工家具,逐步衍生到地板、壁紙、壁布[2]、硅藻泥[3]、墻板、生態(tài)板[4][5]、顆粒板、綠色環(huán)保漆[6]。裝修風(fēng)格的選擇從最初的簡裝風(fēng)格逐步衍生出中古式、歐式、美式等多樣風(fēng)格。裝修的復(fù)雜程度逐步提高,因此也給裝修后的生活環(huán)境帶來各種安全隱患[7][8]。近幾年,廠家為了迎合消費者的心態(tài),市面上則出現(xiàn)了各種綠色漆、糯米膠[9]、母嬰級使用家具[10]。這些噱頭聽著安心,其實有毒有害物質(zhì)依然存在,區(qū)別只是存在有害物質(zhì)含量的多與少,散發(fā)時間的長與短而已。裝修后,據(jù)文獻報道,甲醛的釋放周期長達3~15 a[11],揮發(fā)性有機化合物(TVOC),雖然釋放周期短,但短期內(nèi)危害較大。若家中有老年人和嬰兒等免疫力低下人群,則需要更久的通風(fēng)時間。而在這個要求高效快速的年代,時間的等待往往是最不能讓大眾接受的,因此各種凈化產(chǎn)業(yè)也應(yīng)運而生。二氧化鈦光觸媒是室內(nèi)環(huán)境凈化行業(yè)最常用到的物質(zhì),市售各種光觸媒噴劑琳瑯滿目,還有將光觸媒與活性炭結(jié)合運用到空氣凈化器濾網(wǎng)當(dāng)中,起到凈化空氣的作用。本文對市售的納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品對甲苯的凈化效率進行系統(tǒng)研究,通過在1m3實驗艙(1 號艙)內(nèi)加入GC 純甲苯模擬裝修后的居住環(huán)境,從而進一步考察納米二氧化鈦光觸媒在不同時間反應(yīng)條件下對甲苯的凈化效率。
市售某品牌含納米二氧化鈦光觸媒空氣凈化噴劑;甲苯(國藥集團化學(xué)試劑有限公司, 上海);所有試劑均為GC 純,所用水為二次蒸餾水。用BS-H2 雙氣路恒流大氣采樣儀采集實驗艙(1 號艙)內(nèi)空氣;PERKIN ELMER clarus600 氣相色譜儀測定實驗過程中甲苯含量。
為了模擬裝修后的居家環(huán)境,本實驗選擇2個1m3的艙作為環(huán)境模擬實驗艙(1 號艙),如圖1 所示。環(huán)境艙為加厚玻璃艙,包含密封蓋板,風(fēng)扇,采樣口(可用橡膠塞密閉)和架子等主要部件。密封蓋板的作用是方便在艙內(nèi)取放物品,并保證艙的密閉性;風(fēng)扇的作用是當(dāng)從采樣口加入GC 純甲苯后可均勻艙內(nèi)甲苯的濃度;采樣口的作用是方便大氣采樣器采集艙內(nèi)空氣;架子的作用是可放置空白紙板或噴涂光觸媒紙板以達到實驗?zāi)康摹?/p>
圖1 二氧化鈦光觸媒在1m3 實驗艙(1 號艙)內(nèi)與甲苯反應(yīng)的實驗裝置圖
本實驗選擇兩個環(huán)境模擬艙同時進行實驗。一個艙命名為比對艙(2 號艙),比對艙內(nèi)架子上放置空白紙板,以此來確定在一定時間內(nèi)甲苯在環(huán)境艙內(nèi)的自然衰減率;另一個艙命名為實驗艙(1 號艙),艙內(nèi)架子上放置了噴涂市售納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品的紙板,用來考察納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品在一定時間內(nèi)對甲苯的凈化效率。
實驗開始時,分別同時在2 個艙內(nèi)加入0.0025g 甲苯,密封采樣口后開啟風(fēng)扇,保持5min 使艙內(nèi)甲苯濃度達到均勻,然后關(guān)閉風(fēng)扇打開采樣口,用2 臺大氣采樣器和Tenax-TA 管分別采集兩個環(huán)境模擬實驗艙(1 號艙)內(nèi)的空氣,每臺大氣采樣器的采樣流量為0.5L/min,采樣時間為5min,這樣采集的艙內(nèi)氣體為2.5L,此時采集的空氣測定甲苯濃度作為艙內(nèi)甲苯的初始濃度。之后要按照同樣流量和采集時間采集實驗艙(1 號艙)和比對艙(2 號艙)中的空氣,采樣時間記錄如表1 所示。采樣時間是按照實驗艙(1號艙)中甲苯和凈化產(chǎn)品反應(yīng)的時間來確定,分別為1h、12h、24h、72h 和168h。測定實驗過程中艙內(nèi)甲苯含量的方法為《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2022) 。
表1 實驗艙(1 號艙)與比對艙(2 號艙)的采樣時間記錄表
圖2 為市售二氧化鈦納米光觸媒二氧化鈦(TiO2)納米粒子TEM 圖。從圖中可以看出,市售二氧化鈦納米光觸媒呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)容易在物品表面形成一種比表面積比較大的膜。這種膜的優(yōu)點是均勻分布,可以有效的附著于家居環(huán)境中,不影響美觀;比表面積大,可與更多的污染物接觸,加快分解。
圖2 市售二氧化鈦納米光觸媒納米粒子TEM 圖
經(jīng)過168h 后將2 個環(huán)境模擬實驗艙(1 號艙)采集好的Tenax-TA 管用PERKIN ELMER clarus600 氣相色譜儀測進行分析。從圖3 可以看出,隨著光觸媒與甲苯反應(yīng)時間的增加,甲苯峰的強度越來越低,說明實驗艙(1 號艙)內(nèi)甲苯的含量逐漸降低。
圖3 1m3 實驗艙(1 號艙)內(nèi)甲苯含量的氣相色譜圖
從圖4 可以看出,隨著時間的增加,比對艙(2 號艙)中的甲苯峰的強度也有所降低,說明甲苯在環(huán)境模擬實驗艙(1 號艙)中存在自然衰減的問題。因此,在計算市售納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品在日常燈光下對甲苯凈化效率,要扣除甲苯本身在環(huán)境模擬艙內(nèi)的自然衰減帶來的影響。
圖4 1m3 比對艙(2 號艙)內(nèi)甲苯含量的氣相色譜圖
為了更清楚地表達環(huán)境模擬艙內(nèi)甲苯的變化情況,按照式(1)、式(2)計算出各反應(yīng)時間內(nèi)艙內(nèi)甲苯濃度及艙內(nèi)甲苯去除率。
式中C—環(huán)境艙內(nèi)甲苯濃度,mg/m3;m—實驗艙(1 號艙)內(nèi)采樣2.5L 空氣樣本中所含甲苯質(zhì)量(數(shù)值通過氣相色譜儀分析計算得出),μg;V—采樣體積(本實驗采樣體積為2.5L)。
通過計算得出,光觸媒與甲苯在反應(yīng)1h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為2.7%,反應(yīng)12h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為22.2%,反應(yīng)24h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為27.5%,反應(yīng)72h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為44.1%,反應(yīng)168h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為50.8%,詳見表2。
表2 光觸媒與甲苯在1m3 實驗艙(1 號艙)中反應(yīng)1h、12h、24h、72h、168h 的甲苯濃度
以上計算實驗艙(1 號艙)中的甲苯凈化效率沒有考慮到甲苯的自然衰減率。因此,為了實驗的嚴謹性,用比對艙(2 號艙)來做自然衰減實驗,自然衰減時間為168h。自然衰減的情況如表3 所示,自然衰減的計算見式(3)。
表3 甲苯在1m3 比對艙(2 號艙)中168h 的自然衰減
通過計算得出,比對艙(2 號艙)在168h內(nèi)甲苯的自然衰減率為17.5%。
結(jié)合表2 與表3 繪制的實驗艙(1 號艙)內(nèi)甲苯濃度隨反應(yīng)時間變化圖,如圖5 所示。a 點為實驗艙(1 號艙)內(nèi)甲苯初始濃度2.5694mg/m3,b 點為實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒與甲苯反應(yīng)1h 甲苯濃度2.5012mg/m3,c 點為實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒與甲苯反應(yīng)12h 甲苯濃度1.9987mg/m3,d 點為實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒與甲苯反應(yīng)24h 甲苯濃度1.8616mg/m3,e 點為實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒與甲苯反應(yīng)72h 甲苯濃度1.4372mg/m3,f 點為實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒與甲苯反應(yīng)168h 甲苯濃度1.2632mg/m3。g 點為比對艙(2 號艙)內(nèi)甲苯的初始濃度2.7032mg/m3,h 點為比對艙(2 號艙)放置168h 后甲苯的濃度2.2295 mg/m3。從圖5 可以看出,隨著反應(yīng)時間的增加,實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒與甲苯的反應(yīng)速率逐漸降低,當(dāng)反應(yīng)達到72h 時,光觸媒與甲苯基本反應(yīng)完畢,e 點到f 點的斜率與自然衰減g 點到h 點的斜率基本相同。
圖5 實驗艙(1 號艙)與比對艙(2 號艙)內(nèi)甲苯濃度隨反應(yīng)時間變化圖
通過表2、表3,然后根據(jù)式(4)計算出市售納米二氧化鈦光觸媒在日常燈光下與甲苯反應(yīng)168h 的實際的凈化效率。
通過以上數(shù)據(jù)得出,實驗艙(1 號艙)內(nèi)市售光觸媒在日常燈光下與甲苯反應(yīng)168h 的凈化效率。實驗艙(1 號艙)內(nèi)光觸媒甲苯反應(yīng)168h,自然衰減掉的甲苯大約有17.5%,反應(yīng)掉的甲苯有33.3%,未反應(yīng)掉的甲苯有49.2%。
本文通過實驗論證,市售納米二氧化鈦光觸媒類空氣凈化產(chǎn)品對室內(nèi)環(huán)境中甲苯有一定的的凈化能力,市售納米二氧化鈦光觸媒在168h 內(nèi)對實驗艙(1 號艙)內(nèi)甲苯的凈化效率為50.8%。