空气湿度是一个重要的环境参数,合适的相对湿度与人们生活生产密切相关。这里提到的相对湿度是指空气中水蒸气的含量与在相同情况下能够渗透到空气中的水蒸气总的含量之比,其对人的健康、产品的生产以及物品的保存具有十分重要的作用。

“调湿材料”指能根据自身的吸湿放湿性能,感应所调空间空气温湿度的变化,自动调节空气相对湿度的材料,无需消耗人工能源。其对于改善人居热湿环境、提高物品的保存质量、降低能耗、保持生态环境的可持续发展有着重要的意义。

沸石是一类网架状构造的含水硅铝酸盐矿物的名称,它的结构基础是硅(铝)氧四面体,硅(铝)氧四面体在平面上通过氧桥连接形成各种封闭环,各种环再通过氧桥在三度空间相连接形成各种形状规则的多面体,构成了沸石的空穴或笼,这些笼或环在三度空间以不同方式连接组合,又形成了沸石的一维、二维、三维孔道体系。另外,由于沸石孔穴中含有阳离子,骨架中含有负电荷,有较大的静电力,使得沸石对极性、不饱和及易极化分子具有优先的选择吸附作用。

天然硅藻土是一种水合Mg,Al,Si的粘土矿,是生长在海洋或湖泊中的单细胞植物—硅藻的残骸沉积形成。硅藻土是2:1的链状结构,由通过氧和羟基连接的Si—O四面体构成,Si—O四面体结构有缺陷,颗粒精细,坚固耐磨,耐热耐酸,渗透性和吸附性好等特点。因此,硅藻土已广泛地应用在酿酒业、食品和饮料业、精细化工、轻工、轻体建材、医药、环保、农业、日用化工等行业。

本实验的目的是比较沸石与硅藻土的吸放湿性能,并分析微观形貌与其调湿性能差异的关系。

1、实验过程

1.1实验样品

人造沸石:试剂,化学纯,性状为不规则乳白色结晶,不溶于水。

硅藻土:试剂,化学纯,性状为微灰色或白色粉末,不溶于水、酸和稀碱。

1.2实验仪器

(1)PQX2280A23H型,260L人工气候箱,控温湿范围及精度5~50℃,±0.5~1.0℃;30%~95%RH,±7%RH;(2)YC2D204型,5L亚都超声波加湿器;(3)N10122型,电子控温远红外干燥箱;(4)FA1004型,电子分析天平,精度0.1mg。

1.3样品准备与制备

将人造沸石和硅藻土分别磨细至120目,达到同一细度,取各约1g,放入烘箱内烘干,烘箱设定为80℃,干燥24h后用分析天平进行精确称重。烘干后,样品质量m0分别为人造沸石:1.0193mg;硅藻土:1.0275mg。

1.4实验过程

1.4.1吸湿实验人工气候箱内部温湿度分别调节为20℃,80%RH,把两种样品放置其中。每经过t=1h为一个时间点,把样品取出进行精确称重记作mt,算出其质量增加率即为吸湿率(计算式:吸湿率=│mt-m0│/m0×100%)。记录所得的数据,直到样品的质量不再增加为止,认定此时样品达到饱和吸湿状态。分别作出吸湿率对时间的变化曲线,即为各种材料的吸湿曲线,并加以比较。

1.4.2放湿实验将经过饱和吸湿实验的两种原样—人造沸石和硅藻土放入人工气候箱内,其内部温湿度分别调节至20℃,35%RH,当环境湿度较低时(<35%RH)则利用更低的湿度环境进行放湿实验。每经过时间t=1h为一个时间点,取出样品精确称重记作mt,算出其质量减少率即为放湿率(计算式:放湿率=│m0-mt│/m0×100%),至样品的质量不再减少为止,认定此时样品达到完全放湿状态。分别作出放湿率对时间的变化曲线,即为各种材料的放湿曲线,并加以比较。

1.4.3不同相对湿度下饱和吸湿实验将人工气候箱内湿度分别调节为RH=40%、60%、80%和95%,测定两种原料的饱和吸湿率。

2、结果与讨论

2.1人造沸石和硅藻土的孔结构

沸石、硅藻土孔结构及调湿性能的对比-国投盛世

沸石、硅藻土孔结构及调湿性能的对比-国投盛世

人造沸石和硅藻土的孔结构分析见表1和图1。

从表1和图1中看出,人造沸石比表面积大,总孔容积大,内部以中孔结构为主,孔径分布比较集中,主要为2~7nm孔。

硅藻土的比表面积和孔容积比沸石要低得多,内部以微米级孔穴为主,孔径分布较宽,有一定的大孔结构,所以其平均孔径较沸石要大。

2.2吸湿性能

沸石、硅藻土孔结构及调湿性能的对比-国投盛世

人造沸石和硅藻土吸湿率随时间的变化关系见图2。

从图2中可以看出,人造沸石吸湿曲线斜率大表明其速度快,在前4h内增加得最快,并且它的饱和吸湿量大,在12h达到26.67%;而硅藻土在前1h内吸湿速度快,之后趋于平缓,在11h达到吸湿平衡为3.93%,湿容量低。

这是因为沸石内部以中孔结构为主,其水分子吸附主要靠孔道毛细管凝聚效应和表面吸附。沸石的比表面积大,对环境相对湿度敏感,则其吸湿速度快。且其孔容积大,则可吸湿量即湿容量大,能吸附空气中的水蒸气就多;硅藻土内部以微米级孔穴为主,其水分子吸附主要是靠表面吸附作用。而硅藻土比表面积小、孔容积小,则吸湿速度慢,吸湿平衡量也小。从而说明人造沸石的吸湿性能远远优于硅藻土。

2.3放湿性能

沸石、硅藻土孔结构及调湿性能的对比-国投盛世

人造沸石和硅藻土放湿率随时间的变化关系见图3。从图3中可以看出,人造沸石放湿曲线斜率大表明其速度快,在前3h内斜率下降得最快,并且它放湿量大,在10h达到11.86%;而硅藻土在前1h放湿速度快,之后趋于平缓,在8h达到放湿平衡为1.74%。

沸石中水分子脱附以表面解吸作用为主,比表面积大,毛细管效应明显,因此放湿能力强,但由于其内部孔道有一定微孔级,通过孔道作用吸附的水分子不易脱附,则平衡放湿量(11.86%)低于平衡吸湿量(26.67%);硅藻土内部以微米级孔穴为主,其水分子吸附主要靠表面吸附作用,但其比表面积小,故放湿速度慢,又因其吸湿容量低,所以放湿平衡量也很低。

2.4不同相对湿度下平衡吸湿性能

人造沸石和硅藻土在不同相对湿度下平衡吸湿率的变化关系见图4。从图4中可以看出,随着环境相对湿度的增加,人造沸石和硅藻土的平衡吸湿量都增加,人造沸石不仅在各个相对湿度下的吸湿量都远远大于硅藻土,而且在各个相对湿度下的吸湿速度也远远大于硅藻土。

3、结论

(1)人造沸石有大的比表面积,内部中孔结构较多,微孔、中孔、大孔之间的匹配性好,因此水分向内部的渗透性强,吸放湿能力较强。

(2)硅藻土比表面积小,内部孔穴大小不定、孔道数量少且排布杂乱,渗透性差,吸放湿能力弱。