基于凹土吸附性能的空气净化产品开发设计与研究

2017-08-07赵艳梅淮阴工学院223001

大众文艺 2017年14期

赵艳梅张婷（淮阴工学院 223001）

赵艳梅张婷（淮阴工学院 223001）

本文旨在通过对凹凸棒石黏土材料吸附性能的研究，了解改性凹凸棒石黏土吸附性能及制备工艺，综述其可应用的领域，研究其对空气中有害气体的净化效果，进而探索其在空气净化产品设计中应用的可行性，以充分开发和利用地方特色资源助力治霾，并提出产品开发设计的思路。

凹土；吸附性能；改性；净化

一、凹土资源及研究现状

“凹凸棒石黏土”又被称为“凹土”，是一种稀有的非金属矿产资源。凹土材料性能丰富、稳定性好，被广泛应用在石油、化工、建材、采矿、食品、造纸、印染和环保等多领域中，因此具有“千面用土”、“千土之王”的美称。我国凹土储量丰富，江苏盱眙地区凹土储量占据世界凹土储量的49%。近几年来国家普及新能源战略的实施，使更多有关凹土的先进科研技术被研发，但目前凹土材料在我国的应用还处于初级阶段，依然停留在转化率较低的“原料级产品”层面。凹土具有优良的吸附性能，能够吸收空气中的甲醛等有害物质，并且结构稳定、绿色环保。近几年，消费者越来越注重空气质量问题，这也促使空气净化产品进入发展的黄金时期。目前市场上出现的空气净化产品存在吸附性能单一、吸附物游离、难以回收利用等问题。因此，基于凹土优良的吸附性能的空气净化产品的研究开发显得尤为迫切。

凹土资源的合理开发与高值化利用成为新的热门研究领域，先后成了了凹土材料研究重点实验室、研究所等，凹土基吸附剂和催化剂的开发是使凹土得到高值化利用的重要方式。目前越来越多的研究将凹土材料应用于大气治理领域，提出凹土基脱硫催化剂的应用研究，这将为凹土资源的高附加值的利用及产业化发展奠定基础。天然凹土本身具有一定的吸附能力，但是其吸附容量有限，因此可以考虑利用凹土的富镁铝硅盐特性，将其深加工为优良的吸附材料分子筛的方法来实现凹土的高值化利用。

二、凹土材料性质与吸附领域应用

凹土是一种非金属黏土矿物，结构独特、吸附性能优异，被广泛应用于各相关领域。凹凸棒土原材料价格低廉，它是一种重要的矿产资源，同时也是一种不可再生资源，因此如何更好的利用凹土材料，提高材料的应用价值，实现高附加值产品，避免资源浪费，成为重要的研究课题和发展方向。此外，进一步拓展凹土应用范围也十分重要，要基于其传统适用行业如化工、材料、造纸、水处理等，尽快推广至以通信、生物医药、航空航天、新材料和新能源生产与存储为代表的高新技术产业中。

凹土是一种具有层链状晶体结构及纤维状、棒状晶体形态的天然含水富镁硅酸盐粘土矿物。因特殊晶体结构使其展现了多种特殊的物理、化学和工艺性能。凹土的基本特性包括几点：第一，特殊的电荷分布。由于表面 Si☒O、Al☒O和Mg☒O 断键产生的 R☒OH 上的具有酸碱两性的羟基（OH☒），在不同pH环境中凹土可以分别做阴离子和阳离子吸附剂。特殊的电荷分布还使凹土具有优良的胶体特性和水悬浮性质，使其还可以可应用于油田循环钻井泥浆、悬浮剂、合成印花糊料、涂料添加剂和触变剂等；第二，较大的比表面积。据报道凹土的比表面积可以达到150～210 m2/g，而经过改性处理后甚至可高达423 m2/g。；在水处理应用中，凹土能够吸附多种重金属离子（如：Pb2+、Cd2+和Cr3+等）、放射性金属离子（铀和锕系元素等）、染料（包括阳离子染料和阴离子等染料）、酚类物质等；第三，丰富的孔道结构。凹土棒晶拥有丰富纳米尺寸的孔道，这些孔道结构可以同时进行物理吸附和化学吸附。，该特性使凹土具有一定的催化性能，而且也可以作为优良的催化剂载体。由以上介绍可知，由于天然的链层状晶体结构，凹土具有突出的吸附、流体、纳米结构等物化属性。其中优异的吸附性能，是国内外学者的关注和研究重点。

天然凹土本直接应用于吸附领域，还具有一定的局限性。因此，为了增强凹土的实际使用效果，需要对其进行适当的改性处理。常用的改性方法可大致分为酸活化、热处理和有机改性处理等。酸化理可溶解凹土晶体中部分四面体和八面体结构凹凸棒土内部四面体与八面体结构部分溶解，洗去凹土微纳米孔道中的杂质，可疏通孔道和增加孔数目，达到比表面积增大的目的。同时酸化处理还可改变水溶液中凹土结构电荷和表面电荷，增强其吸附性能。热处理则不仅可以去除凹土中表面吸附水、孔道吸附水和结晶水，还能够分解凹土内部分矿物质和有机物质，从而使其变得多孔疏松，提高比表面积和孔隙容积，提高吸附能力。有机改性也可改善凹土表面结构，有效提高其吸附性能。

大量报道表明改性后的凹土具有吸附效率高、平衡时间短和吸附剂能够反复利用等优点，这为凹土的实际应用提供了有利的技术支撑。但是部分改性措施会造成二次污染，且增大了凹土使用和再生的成本。因此合适的改性措施和有效的再生方法是目前研究的关键。

三、凹土在空气净化产品中的应用研究

随着国内雾霾的出现及给人们带来的种种问题，治霾成为亟待解决的问题，各类空气净化产品层出不穷，目前市场上的空气净化产品所采用的净化技术种类丰富，主要有活性炭吸附技术、负氧离子技术、活性氧技术、静电集尘技术、低温非对称等离子体空气净化技术、分子络合技术、光触媒催化分解技术以及HEPA高效过滤技术等，对于空气中的污染物质基本可以净化，但是都存在一定程度的缺陷，如在净化空气的同时，会将吸附的无毒物质分解成对人体有危害的有毒物质，对人体造成伤害；另外为防止滤网饱和，需要定期的更换滤网，维护的成本较高。基于此类空气净化产品中的弊端，凹土材料的纯天然、可回收再利用的性质显得尤为珍贵。

将凹土材料应用于空气净化产品中，延续了“凹土治霾”科技的发展，对其空气净化功能进行创新性利用，开发设计能适应不同环境的空气净化产品，同时提升空气净化产品外观造型的美感，使产品适用于家庭、办公、医疗、工业等不同环境，满足孕妇、儿童等特殊群体或普通消费者对纯净无污染的室内空气环境的需求。针对江苏盱眙凹土这种特有的稀缺非金属资源，结合其优良的吸附、净化功能和先进科研技术，进行产业化思路研究，实现具有地方特色资源的高附加值产品开发，降低产品成本，节约资源，为企业和地区发展考虑，带动整个江苏盱眙地区凹土产业链的发展，实现真正的绿色环保。

将凹土材料应用于空气净化产品中，运用创新性的设计方法，不断的寻找实现凹土最大吸附性能的方法，提高资源的利用率，减少产品成本，基于凹土改性后吸附性能的提高和可再生的特性。在空气净化产品设计中，我们研究了两种应用方式，第一种是将凹土做成吸附剂面板（如图1），经过除尘器处理的脏空气，再经过凹土吸附剂的过滤，将空气中有害气体吸附，为用户输送健康绿色的空气。同时在设计中将吸附剂作为空气净化器内可拆卸的独立结构，方便定期更换，保证空气净化的效果。更换的凹土吸附剂面板经过处理后可重新再生利用。第二种是将经过酸化处理的凹土做成集尘滤网（如图2），通过三层滤网的处理，可将空气中绝大部分的有害气体和灰尘净化，进而达到净化空气的效果。在设计中，将滤网集合为一个可拆卸的滤芯结构，方便整机的安装和后期更换，方便用户使用，滤网的净化效率有待进一步的实验验证。