博士生陈其威Environmental Research: 激光蚀刻制备纵向宏观通道以提升热再生柔性吸附薄层的有效吸附容量

2020年9月24日，《Environmental Research》杂志刊登课题组博士生陈其威的最新成果：Vertical macro-channel modification of a flexible adsorption board with in-situ thermal regeneration for indoor gas purification to increase effective adsorption capacity (2020, DOI: 10.1016/j.envres.2020.110218)

背景介绍

室内气态污染物（VOCs）主要源自建材、涂料、家具等，具有低浓度、多组分和长期缓慢释放的特性，对人体健康造成持续的慢性危害。目前去除VOCs主要的方法为通风稀释和空气净化，通风稀释往往受到建筑密闭性和室外环境条件的限制，因此吸附净化被广泛应用到室内VOCs控制中。然而现有吸附净化模块寿命有限，有效吸附容量低，并且阻力大。我们前期研究中提出了一种原位热再生的薄层吸附模块（https://doi.org/10.1111/ina.12540），可以有效拓展吸附材料使用寿命，并显著降低风阻。然而现有吸附薄层内传质速率依然受限，污染物在吸附材料内部的扩散迁移较慢，吸附模块的有效吸附容量较低。

图1. 柔性吸附薄层传质过程：(a) 宏观通道制备前；(b)宏观通道修饰后；(c) 单通道内的吸附传质

成果介绍

基于上述分析，本研究设计了一种材料表面宏观通道修饰的热再生柔性吸附薄层，如图1所示，可以强化吸附薄层内部传质动力学特性，显著提升其有效吸附容量。如图2所示，将去离子水与羧甲基纤维素按一定比例混合，搅拌成均一透明液体。冷却至常温后，加入适量活性炭和乳液，搅拌得到均一的吸附材料分散液。将该分散液均匀涂敷在柔性电热膜表面并烘干，得到具备原位热再生功能的柔性吸附薄层。随后通过激光蚀刻法制备孔径为0.6mm的纵向宏观通道，均匀分布在吸附薄层表面。对制备出的吸附薄层进行多次的吸附脱附实验，其热再生率均在80%以上，表明该吸附薄层具有良好的热循环再生特性。

图2. 吸附薄层 (a) 制备方法;(b)激光蚀刻制备宏观通道修饰吸附薄层表面结构; (c) 宏观通道修饰的吸附薄层实物，薄层尺寸与单通道SEM图像

本研究还建立了宏观通道修饰的吸附材料薄层模型，并使用甲醛和二甲苯作为目标污染物进行了吸附穿透实验，验证了模型的可靠性。实验和模拟结果均表明，利用宏观通道修饰的热再生柔性吸附薄层具有较长的穿透时间和较大的有效吸附容量。例如：活性炭薄层对甲醛的吸附穿透时间从3.8h延长到6.2h，有效吸附容量提升为原来的2倍；活性炭薄层对二甲苯的吸附穿透时间从62h延长至99h，有效吸附容量提升为原来的1.8倍。通过对传质过程分析，绘制出了无量纲参数Da/(DeK)与有效吸附容量的提升倍数之间的关系谱图。如图3所示，虚线以上的气泡较大，这意味着这些具有较大Da/K值和较小De值的吸附材料-污染物对，通过宏观通道修饰方法，可以实现更加显著的有效吸附容量提升。该谱图有助于选择合适的吸附-污染物对进行宏观通道修饰。

小结

本研究为提高吸附材料的有效吸附容量，在吸附薄层表面通过激光蚀刻方法制备出均匀分布的纵向宏观通道。对甲醛和二甲苯的吸附实验表明，改性后有效吸附能力可提高2倍以上。此外，再生实验表明，10分钟的原位电热再生可以完全恢复改性吸附板的性能。建立了预测宏观通道改性薄层的有效吸附容量的数学模型。利用气泡谱图分析了两个关键参数(Da/K和De)与有效吸附容量提升倍数之间的关系，评价了激光蚀刻方法对不同吸附-污染物对的增强潜力。该谱图有助于选择合适的材料进行宏观通道修饰。综上，这种简单的机械式宏观通道改进方法为室内空气吸附材料的有效利用提供了思路。

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原文出处：https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110218

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