王永明，邱 源，李彩云，努 娜，王会娅，王 勇

（1.武警学院 基础部，河北 廊坊 065000；2.武警学院 防火工程系，河北 廊坊 065000）

防护面罩可分为全面罩和半面罩两种结构，防护口罩属于半面罩，主要分为防尘的工业用口罩和防菌的医疗用口罩［1-2］。无论是工业级口罩还是医疗用口罩都是以物理阻挡为主［3］，即主要是对环境中的微尘、病毒、飞沫等进行阻挡。但随着我国工业化程度的不断提高，各种有毒有害物质会不可避免地排放到空气中，而这些物质会随着空气通过普通口罩进入人的呼吸系统，故口罩的功能不能只局限于物理阻挡，还应该对通过口罩的有毒有害物质进行无害化处理，从而真正起到防护效果。本文将无毒、稳定、价廉且具有光催化作用［4-9］的TiO2负载于ACF（活性炭纤维），并将其应用于口罩上，使其能够降解通过口罩的有毒有害物质，从而使口罩起到真正的防护防毒功能。

1 口罩的改进

本实验以N95型口罩（见图1）为原型，在其原有的3层结构的基础上增加1层负载有纳米TiO2的ACF，并置于原口罩的外层与中间层之间。ACF型号为TS-073，厚度为3.5～4mm，由江苏南通通森活性炭有限公司生产，见图2。

图1 N95口罩

2 负载有纳米TiO2的ACF降解苯效果检测

2.1 实验准备

2.1.1 实验箱的设计

图2 负载纳米TiO2的ACF

本实验的实验箱为自制的实验箱（见图3），选择厚度为3mm的有机玻璃材料，具有良好的密封性和抗压性。长宽高分别为60cm、25cm、50cm。箱体分为二部分，左边是气体生成室，右边为气体降解室。两箱体之间用有机玻璃隔开，h处装带电风扇的装置，上面预留一定的窗口，既保持两室的相对独立性又保持两室之间的相通性，使产生的气态苯能够在箱体内循环以达到苯浓度的均匀分布。气体生成室留有进料孔，降解室留有检测孔，并在中间设有格栅板用于放置负载纳米TiO2的ACF。

图3 实验箱立体图

2.1.2 检测仪器的选择

本实验选择手持式ppbRAE TVOC快速检测仪（型号PGM-7240）。该仪器的灵敏度高（能够检测十亿分之一气态有机化合物）、检测量程大（量程：0～9999×10-9、0～200×10-6）、检测时间长（电池为可充电镍氢电池，能够连续工作10h）、自动抽气取样（400 mL／min）、自动记录数据、检测及时等特点。

2.1.3 降解对象苯的选择

苯为无色油状液体，有特殊芳香气味，易挥发，沸点为80.1℃，不溶于水，易溶于醇、醚、丙酮等多数有机溶剂。苯蒸气比空气重2.77倍，能在较低处扩散到相当远的地方。苯极其稳定，在1 000℃高温下也不发生热解，常温下需要强氧化剂才能发生反应。苯是芳香族化合物中的代表物质，相比较而言，也是芳香族化合物中最难降解的物质。苯的来源广、毒性大、污染持续时间长，对人们的生活和环境构成了严重威胁［10-11］，早于1993年就被世界卫生组织（WHO）确定为致癌物，人吸入24 000mg／m3浓度的苯蒸气30min或64 000mg／m3浓度5～10min可致死。成人口服致死量为10mL。苯可经呼吸道、消化道或者皮肤吸收。本实验主要检测负载有纳米TiO2的ACF降解性能。由于苯在有机污染物中的稳定性最好，危害性比较大，在国内防毒面具的测试标准中基本上是采用苯来代替有机污染物的防毒性能测试［12］，如果能够降解苯，一般的有机污染物也能降解，因此本实验采用苯作为降解对象。

2.2 降解实验

2.2.1 空白实验

密封自制实验箱，用手持式ppbRAE TVOC快速检测仪检测，当检测数据为0时，注入28μL苯，并用手持式ppbRAE TVOC快速检测仪每隔5s读取一次数据，检测结果如图4所示。

图4 浓度随时间变化曲线

从图4可以看出：注入苯后，浓度很快达到最大值，超过3h后浓度仍保持不变，这说明苯具有很好的扩散能力，而且自制容器的密封性很好。

2.2.2 负载纳米TiO2的ACF的制备

本实验的ACF尺寸是根据防毒口罩的所需尺寸来确定（约为0.16m2）。因ACF表面可能附着有灰尘、无机物、有机物等，故需对ACF进行预处理：将裁好的ACF放入盛有去离子水的超声波清洗仪中浸泡10min，放入离心机中离心15min（实验表明离心15 min后两次之间的质量几乎不发生变化）以除去表面的灰尘；将离心甩干后的ACF放入盛有3%稀盐酸的超声波清洗仪中浸泡10min，再放入离心机中离心15 min以除去无机杂质；将盐酸处理后的ACF放入盛有无水乙醇的超声波清洗仪中浸泡10min，再放入离心机中离心15min以除去有机杂质；将处理后的ACF放入烘箱中烘干，温度调节到120℃，升温速率为6℃／min，恒温3h后取出称量备用。

将5.0g高催化活性TiO2粉末通过高速旋转的磁子均匀分散到1L去离子水中，将其转入超声波振荡器中，并将处理好的ACF放入其中振荡一定时间（根据负载量的多少来确定振荡的时间）后取出离心15min，并放入烘箱中保持温度在400℃左右加热2h后自然降温到室温称量后备用。

2.2.3 实验数据及分析

对负载有纳米TiO2的ACF进行降解苯污染物实验。苯初始浓度为200×103mg／m3，实验温度为20℃，下一次实验是当上一次实验的数据变为0时继续注入苯并进行检测。实验结果记录如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出，在进行的17次实验中，前13次所用时间基本相同，10min左右可以将苯降解，第14次到17次时间从15min逐渐延长到50min，说明负载有TiO2的ACF在前13次都能够很好地催化降解苯。前13次共催化降解苯0.32g，对应质量浓度为6 280 mg／m3，是国家《室内空气质量标准》GB／T18883—2002（苯的安全值0.11mg／m3）的57 090倍；所用时间106 min，这说明在苯浓度较高的情况下添加TiO2-ACF结构层的口罩可以有效防止苯的伤害。

图5 负载TiO2的ACF连续降解苯曲线

3 结论与展望

本文研制的口罩除了有防尘、阻菌的作用外，还有以下几个方面的优势：添加TiO2的ACF层是将吸附性能更佳的活性炭粉末通过特殊工艺载附到涤纶纤维上制成的，其孔径小（1.7～2.0nm），比表面积大，具有良好的吸附性和集尘效果；负载于ACF上的纳米TiO2能够对有毒气体进行有效的催化降解；ACF孔径在1.7～2.0nm 之间，对PM2.5等多种有毒有害物质具有很强的隔断效果；负载TiO2-ACF新型防毒口罩可以通过对填充物加热处理后重复利用。

图6 负载TiO2的ACF降解苯的次数与时间关系曲线

苯属于小分子物质，能够随着空气进入人的呼吸系统，负载TiO2的ACF对苯可以起到很好的催化降解作用。为阻止苯等有毒有害物质尽可能少地进入人的呼吸系统，还需对口罩的材质、结构、形状等进行进一步的改进，使口罩真正起到防护作用，这些方面还有待进一步研究。

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