摘要：采用光觸媒改性的涂料刷涂于礦棉板基板表面,制成一種凈化空氣礦棉板。以甲醛為去除對象,用靜態方法,考察了凈化空氣礦棉板的凈化性能,同時分析了甲醛初始量、相對濕度、溫度對凈化效率的影響。結果表明,涂料中光觸媒的質量分數和涂料的涂刷量都對礦棉板的凈化性能有顯著影響;在30W日光燈照射下,維持溫度21℃,相對濕度60%,甲醛原液注入量為10μL,凈化空氣礦棉板對甲醛的凈化效率可達96.3%;降解效率隨甲醛滴入量增加而增大。該礦棉板能有效去除甲醛,且性能穩定,適用于室內有害氣體凈化。
關鍵詞：光觸媒;建筑涂料;礦棉板;凈化性能;甲醛;
自20世紀90年代以來，室內空氣污染對健康的危害成為各國政府和公眾關注的重要環境問題之一?，F代人正進入以“室內空氣污染”為標志的第3污染時期[1]。隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，人們越發注重生活和工作的環境問題，加強室內空氣污染源的控制和治理尤為重要。光觸媒處理以無害、高效、長效和廣譜成為當前最理想的環境凈化技術之一[2-5]。
近年來光觸媒的固載和應用技術成為研究的熱點[6-9]。由于建筑材料與人們的日常生活緊密相連，所以建筑材料中應用光觸媒技術有得天獨厚的優勢。建筑材料作為光觸媒的載體已有一些研究，并取得了一定的成果。錢春香等[10]證明水泥基材料負載納米TiO2具有優良的光催化性能；訾學紅等[11]研究了納米玻璃、納米瓷磚對環境中有害氣體的降解。
礦棉板以礦棉為主要原料，具有多孔、質輕、不燃、吸聲、絕熱、美觀的特點，廣泛用于建筑吊頂、墻壁等室內裝修[12]。礦棉板吸附能力強，也具有負載光觸媒的可行性。如果將礦棉板與光觸媒復合，利用礦棉的吸附性，有害物質可以有效地被吸附至光觸媒晶體處形成微細范圍內的局部高濃度，再通過光觸媒的光催化降解脫附，可進一步提高光觸媒的使用效率。
1實驗
1.1實驗材料甲醛溶液，AR，濃度37%～40%；光觸媒粉末，粒徑20nm，表面積140.5m2/g，主要成分為銅改性二氧化鈦，北京中科日創公司生產?；A涂料：苯丙乳液內墻涂料，符合GB/T9756—2001《合成樹脂乳液內墻涂料》標準要求；無涂層礦棉板，500cm×500cm，北新集團建材股份有限公司生產。表1為基礎涂料的基本配方。
1.2凈化空氣礦棉板的制備將適量的分散劑、消泡劑加入到一定量去離子水中，在1000r/min下攪拌分散5min；然后將光觸媒粉末加入到上述溶液中，在2000r/min下繼續高速攪拌5min，使其充分分散；然后把分散好的光觸媒加入到涂料中，在2000r/min下攪拌均勻，即得到光觸媒改性的光催化涂料。再將一定量的上述涂料分2次刷涂于礦棉板基板上，放置7d，待涂料干燥后即得到凈化空氣礦棉板。
1.3凈化性能測試采用2個1m（31250mm×800mm×1000mm）的玻璃試驗倉（見圖1），一個放置測試樣品為樣品倉，另一個放置空白玻璃板為對比倉，采氣口位于試驗倉側壁中心點。試驗倉內頂部中心位置放置30W日光燈，底部放置1個功率為15W的風扇，用于均勻倉內空氣。試驗倉長度方向放置4個不銹鋼樣品架。試驗時將制備好的樣品板和空白玻璃板分別放入樣品倉和對比倉的樣品架上。用微型注射器從注射孔注入一定量的甲醛液體于實驗倉底部的玻璃皿上，開啟風扇30min使甲醛液體充分揮發。1h后，采集倉內氣體并測試其濃度，此濃度為初始濃度；24h后再采集倉內氣體并測試其濃度，此濃度為終止濃度。采集氣體前開啟風扇5min，采樣時關閉。甲醛的檢測方法參照GB/T16129—1995《居住區大氣中甲醛衛生檢驗標準方法分光光度法》，采用分光光度計，在550nm波長處比色測定。
1.4凈化耐久性測試將制備好的凈化空氣礦棉板放入試驗倉中，滴入10μL的甲醛溶液，密閉試驗倉，空氣濕度維持在60%，溫度維持在21℃，每天按時滴入同樣濃度的甲醛原液，持續4d，使倉內樣品板凈化能力接近或達到飽和。第5d取出飽和試驗后的試驗樣板，放置24h，達到自然平衡狀態。然后按照上述1.3的方法測試其對甲醛的凈化效率。
2結果與討論
2.2礦棉板的物理特性（見表3）由表3及礦棉板的PDS分析可知，礦棉板密度適宜，纖維長徑比大，纖維分布均勻，微、中孔發達，比表面積高，吸附能力強，適宜作為光觸媒載體。
把光催化涂料與礦棉板結合在一起，當甲醛濃度較低時，利用礦棉板的吸附性，形成微細范圍內的局部高濃度，達到甲醛在催化劑上的富集。達到一定濃度后，再通過光觸媒的降解脫附，解決二次污染問題，同時也可提高凈化效率。光催化生成的微量中間副產物可以被礦棉板吸附而難以擴散到內部空氣中，使之繼續在催化劑表面進行反應，直至完全轉化為無害的CO2和H2O，提高甲醛完全氧化效率，從而達到完全凈化目的。
2.3涂料中光觸媒含量對光催化涂料凈化性能的影響圖2為含有不同量光觸媒的涂料去除甲醛的效率曲線。
圖2不同光觸媒含量對光催化涂料凈化性能的影響從圖2可以看出，當光觸媒的質量百分數為4%時，所制備的光催化涂料具有較好的凈化性能。當光觸媒的含量小于4%時，凈化效率隨著光觸媒含量的增加而增加，這是由于光觸媒含量增加，使參與光催化反應的光觸媒顆粒數量增加，從而產生的電子-空穴對數量增加，所以光催化反應加快。當光觸媒的含量大于4%后，光觸媒含量太高，引起納米粒子團聚，從而影響涂層的光催化氧化性能。因此，光催化涂料適宜的光觸媒含量為4%。
2.4涂料涂刷量對凈化性能的影響圖3為涂刷不同量光催化涂料的礦棉板吸附降解甲醛效率的比較。
從圖3可以看出，當涂料的涂刷量為250g/m2時，礦棉板對甲醛的凈化效率達到最高值96.3%，繼續增加涂刷量，凈化效率反而降低。這是因為當涂刷量較小時，涂層中納米粒子產生的電子-空穴對的數目也相對較少，光催化降解效果較低，凈化主要依靠礦棉板的吸附作用；當涂刷量太大時，又完全覆蓋礦棉板表面，礦棉板的吸附作用被抑制，而且光觸媒含量太圖3涂料涂刷量對凈化性能的影響高會引起納米粒子團聚，從而影響涂層的光催化氧化性能。因此，凈化空氣礦棉板表面涂料的涂刷量以250g/m2為宜。
2.5環境因素對凈化性能的影響2.5.1不同甲醛初始量對凈化性能的影響圖4是在溫度21℃、濕度60%時，礦棉板對甲醛的凈化率隨注入甲醛原液量的變化情況。
圖4凈化率隨甲醛初始量的變化從圖4可以看出，在低初始濃度時，凈化率隨甲醛濃度的升高急劇上升；在中初始濃度時，凈化率呈緩慢遞增趨勢；至某一濃度后基本保持不變。但無論高濃度還是低濃度，該凈化空氣礦棉板對甲醛均表現出良好的凈化效果。
甲醛光催化反應的動力學過程遵循Langmuir-Hinshel－Wood模型規律[13]，其氧化速率r按式（2）計算。
r=KrKaC0（/1+KaC0）（2）式中：Kr——表面反應速率常數；Ka——吸附平衡常數；C0——甲醛初始濃度。
由式（2）可知，在中、低甲醛初始濃度下，Ka越大，降解反應越快；高甲醛初始濃度下，Ka的變化對降解影響較小。實驗結果與該結論吻合。
2.5.2不同濕度對甲醛凈化性能的影響圖5是在溫度21℃，甲醛原液注入量為10μL時，甲醛凈化效率隨相對濕度的變化情況。
從圖5可以看出，濕度對甲醛凈化效果影響顯著，甲醛凈化率隨相對濕度的增加，先增大后減小，在濕度60%時，甲醛凈化率最高。所以，凈化空氣礦棉板對甲醛的凈化存在最佳濕度。
由光催化反應的機理可知，濕度的大小決定著羥基自由基的產生量。水分子是光催化反應的必要條件，但是光催化反應的需水量由光觸媒的活性來決定。當光觸媒活性一定時，光催化反應產生的電子-空穴對數量一定，因而水分子生成的活性自由基一定，從而降解甲醛的量一定。光觸媒對水的吸附存在著吸附飽和，當光觸媒對水的吸附達到飽和點，再增加水分子量，光催化反應反而受到抑制，并且在高濕度下，礦棉板吸水率的增加抑制了對甲醛的吸附。所以，室內濕度控制在60%左右時凈化空氣礦棉板的凈化效率較高。
2.5.3不同溫度對甲醛凈化性能的影響圖6是在濕度60%，甲醛原液注入量為10μL時，甲醛凈化率隨溫度的變化情況。
圖6凈化率隨溫度的變化由圖6可見，在室溫范圍內，隨著溫度的升高，凈化效果緩慢提高。
光催化降解甲醛氣體時，活性羥基自由基和超氧陰離子自由基共同起氧化作用，先將甲醛氧化為甲酸，最終分解為二氧化碳和水。該光催化降解反應體系是一種多相光催化反應體系，控制反應速率的是氣體的傳質、吸附和脫附等過程[13]，這些過程受反應溫度的影響比較大。溫度越高，物理吸附越弱，化學吸附越強，產生的自由基、超氧離子越多，脫附速率越快，質量傳遞越快，光催化速率越快，但礦棉板的物理吸附反而降低，且反應的主要能量來自光能，所以溫度對凈化效果影響較低。
2.6凈化耐久性測試測試結果表明，凈化空氣礦棉板經過4d飽和試驗后，對甲醛的凈化效率仍能達到85%，高于JC/T1074—2008《室內空氣凈化功能涂覆材料凈化性能》規定的凈化效率指標（65%）?？梢?，凈化空氣礦棉板性能穩定，效果顯著，適用于室內有害氣體的凈化。
3結論
?。?）制備的凈化空氣礦棉板對空氣中甲醛有良好的凈化效果，適用于室內有害氣體的凈化。
?。?）礦棉板表面涂料的涂刷量對空氣中甲醛凈化性能有顯著影響。當涂刷量為250g/m2時，對甲醛的吸附降解效率最高。
?。?）保持溫度21℃，空氣濕度60%，甲醛原液注入量為10μL時，凈化空氣礦棉板對甲醛的凈化率可達96.3%。隨著甲醛注入量的增加，凈化率緩慢增大。
?。?）凈化空氣礦棉板經過4d飽和試驗后，對甲醛凈化效率仍能達到85%，凈化效果顯著。
本文由 合肥礦棉板價格 整理編輯。