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沸石、硅藻土孔結構及調濕性能的對比

發布時間:2019-10-23     瀏覽次數:68

空氣濕度是一個重要的環境參數,合適的相對濕度與人們生活生產密切相關。這里提到的相對濕度是指空氣中水蒸氣的含量與在相同情況下能夠滲透到空氣中的水蒸氣總的含量之比,其對人的健康、產品的生產以及物品的保存具有十分重要的作用。

“調濕材料”指能根據自身的吸濕放濕性能,感應所調空間空氣溫濕度的變化,自動調節空氣相對濕度的材料,無需消耗人工能源。其對于改善人居熱濕環境、提高物品的保存質量、降低能耗、保持生態環境的可持續發展有著重要的意義。

沸石是一類網架狀構造的含水硅鋁酸鹽礦物的名稱,它的結構基礎是硅(鋁)氧四面體,硅(鋁)氧四面體在平面上通過氧橋連接形成各種封閉環,各種環再通過氧橋在三度空間相連接形成各種形狀規則的多面體,構成了沸石的空穴或籠,這些籠或環在三度空間以不同方式連接組合,又形成了沸石的一維、二維、三維孔道體系。另外,由于沸石孔穴中含有陽離子,骨架中含有負電荷,有較大的靜電力,使得沸石對極性、不飽和及易極化分子具有優先的選擇吸附作用。

天然硅藻土是一種水合Mg,Al,Si的粘土礦,是生長在海洋或湖泊中的單細胞植物—硅藻的殘骸沉積形成。硅藻土是2:1的鏈狀結構,由通過氧和羥基連接的Si—O四面體構成,Si—O四面體結構有缺陷,顆粒精細,堅固耐磨,耐熱耐酸,滲透性和吸附性好等特點。因此,硅藻土已廣泛地應用在釀酒業、食品和飲料業、精細化工、輕工、輕體建材、醫藥、環保、農業、日用化工等行業。

本實驗的目的是比較沸石與硅藻土的吸放濕性能,并分析微觀形貌與其調濕性能差異的關系

1、實驗過程

1.1實驗樣品

人造沸石:試劑,化學純,性狀為不規則乳白色結晶,不溶于水。

硅藻土:試劑,化學純,性狀為微灰色或白色粉末,不溶于水、酸和稀堿。

1.2實驗儀器

(1)PQX2280A23H型,260L人工氣候箱,控溫濕范圍及精度5~50℃,±0.5~1.0℃;30%~95%RH,±7%RH;(2)YC2D204型,5L亞都超聲波加濕器;(3)N10122型,電子控溫遠紅外干燥箱;(4)FA1004型,電子分析天平,精度0.1mg。

1.3樣品準備與制備

將人造沸石和硅藻土分別磨細至120目,達到同一細度,取各約1g,放入烘箱內烘干,烘箱設定為80℃,干燥24h后用分析天平進行精確稱重。烘干后,樣品質量m0分別為人造沸石:1.0193mg;硅藻土:1.0275mg。

1.4實驗過程

1.4.1吸濕實驗人工氣候箱內部溫濕度分別調節為20℃,80%RH,把兩種樣品放置其中。每經過t=1h為一個時間點,把樣品取出進行精確稱重記作mt,算出其質量增加率即為吸濕率(計算式:吸濕率=│mt-m0│/m0×100%)。記錄所得的數據,直到樣品的質量不再增加為止,認定此時樣品達到飽和吸濕狀態。分別作出吸濕率對時間的變化曲線,即為各種材料的吸濕曲線,并加以比較。

1.4.2放濕實驗將經過飽和吸濕實驗的兩種原樣—人造沸石和硅藻土放入人工氣候箱內,其內部溫濕度分別調節至20℃,35%RH,當環境濕度較低時(<35%RH)則利用更低的濕度環境進行放濕實驗。每經過時間t=1h為一個時間點,取出樣品精確稱重記作mt,算出其質量減少率即為放濕率(計算式:放濕率=│m0-mt│/m0×100%),至樣品的質量不再減少為止,認定此時樣品達到完全放濕狀態。分別作出放濕率對時間的變化曲線,即為各種材料的放濕曲線,并加以比較。

1.4.3不同相對濕度下飽和吸濕實驗將人工氣候箱內濕度分別調節為RH=40%、60%、80%和95%,測定兩種原料的飽和吸濕率。

2、結果與討論

2.1人造沸石和硅藻土的孔結構



人造沸石和硅藻土的孔結構分析見表1和圖1。

從表1和圖1中看出,人造沸石比表面積大,總孔容積大,內部以中孔結構為主,孔徑分布比較集中,主要為2~7nm孔

硅藻土的比表面積和孔容積比沸石要低得多,內部以微米級孔穴為主,孔徑分布較寬,有一定的大孔結構,所以其平均孔徑較沸石要大。

2.2吸濕性能


人造沸石和硅藻土吸濕率隨時間的變化關系見圖2。

從圖2中可以看出,人造沸石吸濕曲線斜率大表明其速度快,在前4h內增加得最快,并且它的飽和吸濕量大,在12h達到26.67%;而硅藻土在前1h內吸濕速度快,之后趨于平緩,在11h達到吸濕平衡為3.93%,濕容量低。

這是因為沸石內部以中孔結構為主,其水分子吸附主要靠孔道毛細管凝聚效應和表面吸附。沸石的比表面積大,對環境相對濕度敏感,則其吸濕速度快。且其孔容積大,則可吸濕量即濕容量大,能吸附空氣中的水蒸氣就多;硅藻土內部以微米級孔穴為主,其水分子吸附主要是靠表面吸附作用。而硅藻土比表面積小、孔容積小,則吸濕速度慢,吸濕平衡量也小。從而說明人造沸石的吸濕性能遠遠優于硅藻土

2.3放濕性能


人造沸石和硅藻土放濕率隨時間的變化關系見圖3。從圖3中可以看出,人造沸石放濕曲線斜率大表明其速度快,在前3h內斜率下降得最快,并且它放濕量大,在10h達到11.86%;而硅藻土在前1h放濕速度快,之后趨于平緩,在8h達到放濕平衡為1.74%。

沸石中水分子脫附以表面解吸作用為主,比表面積大,毛細管效應明顯,因此放濕能力強,但由于其內部孔道有一定微孔級,通過孔道作用吸附的水分子不易脫附,則平衡放濕量(11.86%)低于平衡吸濕量(26.67%);硅藻土內部以微米級孔穴為主,其水分子吸附主要靠表面吸附作用,但其比表面積小,故放濕速度慢,又因其吸濕容量低,所以放濕平衡量也很低。

2.4不同相對濕度下平衡吸濕性能

人造沸石和硅藻土在不同相對濕度下平衡吸濕率的變化關系見圖4。從圖4中可以看出,隨著環境相對濕度的增加,人造沸石和硅藻土的平衡吸濕量都增加,人造沸石不僅在各個相對濕度下的吸濕量都遠遠大于硅藻土,而且在各個相對濕度下的吸濕速度也遠遠大于硅藻土。

3、結論

(1)人造沸石有大的比表面積,內部中孔結構較多,微孔、中孔、大孔之間的匹配性好,因此水分向內部的滲透性強,吸放濕能力較強。

(2)硅藻土比表面積小,內部孔穴大小不定、孔道數量少且排布雜亂,滲透性差,吸放濕能力弱。

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