氨和三甲胺是常见的室内空气污染物，主要来源于建材、家庭日常使用的化学品、办公用品以及人们的日常活动。长期生活在空气污染严重的环境中，可能会引起人体的不良反应和一系列并发症[1-3]。目前，室内空气净化技术主要有生物净化技术[4]、吸附净化技术[5]、光催化净化技术[6]、等离子体净化技术[7]、臭氧净化技术[8]等。吸附净化技术具有效率高、成本低、操作简便和环境友好等特点，在环境保护和资源回收领域发挥着重要作用[9-10]。在气态污染控制领域，整体式吸附净化材料具备较小的风阻和较低的压降，相较于粉末状材料更受青睐。通常情况下，整体式吸附净化材料通过在规则的基底结构上固定活性成分，使其与空气污染物发生化学反应，从而将有害气体转化为无害的固态物质，以达到有效捕获并去除空气中污染物的目的。这种设计不仅提升了材料的净化效率，还有助于简化净化系统的能效和后期维护[11-12]。

聚丙烯（PP）是热塑性聚合物，具有机械强度高、耐酸碱腐蚀和价格低廉等优势，并能够制成蜂窝状结构，甚至可以根据需要定制不同的孔径和形状，在工业领域得到了广泛应用[13]。近期，研究发现，利用金属离子对PP材料进行改性可以有效提升其对污染物的吸附和催化性能。例如：NECHIFOR等[14]在PP纤维中通过浸渍银-醋酸纤维素获得浸渍膜，其对异味硫化氢、乙硫醇等恶臭气体的去除效率＞95%；van PHAM等[15]以PP膜为基底，利用涂覆技术负载作为催化剂活性组分Ag/SnO，也可以有效去除氮氧化物气体；ZHAO等[16]通过对PP纤维进行Fe3+改性，制备了一种高效的磷酸盐吸附剂，其在连续流动条件下的除磷效率＞99%。

近年来，通过金属离子改性吸附材料在污染治理方面的研究逐渐展开。例如：KHAN等[17]制备了Cu2+负载金属有机框架材料（Cu2+/MIL-100-Fe），将其用于吸附苯并噻吩，结果表明，Cu2+/MIL-100-Fe比表面积和孔体积随着Cu2+的加入而减小，但吸附容量逐渐增大，这归因于苯并噻吩与Cu2+之间的络合作用；SHI等[18]将经过质量分数10%的HNO3改性后的活性炭与浓度0.25 mol/L的Fe3+溶液按质量比1∶10混合，制备了复合吸附剂，尽管比表面积和孔隙结构略有下降，但总体吸附性能提升约25%；皇甫林等[19]通过Ca2+改性LTA型沸石，制得的Ca-LTA0具有很强的CO2捕集能力，经多次循环吸附/脱附后仍保持优异的吸附能力。

本文拟在PP蜂窝材料上负载铝氧化物和金属离子活性组分，筛选出PP蜂窝材料的最佳制备工艺，制备选择性高、稳定性强且具有高效脱除空气污染物的净化材料，并进行放大实验，旨在为改性PP材料在家电行业空气净化领域的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 材料、试剂与仪器

PP蜂窝材料（50 mm×25 mm×20 mm），佛山市顺德区金磊环保科技有限公司。

铝溶胶（质量分数21%～23%），德州市晶火技术玻璃有限公司；无水氯化钙，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；CuCl2·2H2O、Zn(NO3)2·6H2O，分析纯，广州化学试剂厂；FeCl3·6H2O，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；尿素，分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

Phenom Pro X型飞纳台式扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）一体机，复纳科学仪器（上海）有限公司；Autosorb-iQ全自动比表面和孔径分布分析仪（BET），美国Quantachrome公司；Nicolet iS50R型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），美国Thermo Fisher Scientific公司；AR8500型氨气检测仪，深圳市希玛科技股份有限公司。

1.2 制备方法

首先，在250 mL烧杯中配制100 mL浓度0～0.7 mol/L的金属离子盐溶液、浓度2.6 mol/L的铝源（铝溶胶）溶液、浓度0.1 mol/L的尿素造孔剂溶液，混合均匀得到涂覆浆料；然后，在室温下，将50 mm×25 mm×20 mm PP蜂窝材料浸入到涂覆浆料中浸渍10 min后，取出，用洗耳球吹扫去除孔道内残留的涂覆液；最后，将涂覆后的样品置于烘箱中，在100 ℃下干燥3 h，得到铝氧化物改性及其基础上金属离子改性PP蜂窝材料。

1.3 表征方法与性能测试

SEM测试：样品喷金，低位二次电子（LEI）模式，工作电流20 μA，电子加速电压15.0 kV。BET测试：采用静态吸附法，以N2为吸附质，在77.35 K下对0.0800 g样品进行N2吸附-脱附曲线测试，测定样品的比表面积和孔径分布。EDS测试：对样品表面的元素分布及含量进行测定。FTIR测试：KBr压片法，波数范围4000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32次。

1.4 材料吸附性能测试

商用空气净化器、30 m3环境试验舱、氨气检测仪的实物图如图1所示。

1.4.1 静态法测试

在静态吸附装置中滴加氨水，并密封装置，让氨水在室温下自然扩散至充满装置。后续的吸附实验均在室温下进行，称重并记录吸附剂样品的初始质量（m0，g），然后将吸附剂样品放置于静态吸附装置中，再次密封装置后开始静态吸附测试。每隔10 min，重新称重并记录吸附样品的质量（mt，g）。根据式（1）计算吸附剂的单位体积氨水静态吸附容量（g/L）：

式中：V为吸附剂样品体积，L。

采用上述同样方法和步骤，使用纯水代替氨水，得到吸附剂单位体积纯水静态吸附容量（g/L）。根据式（2）计算吸附剂单位体积氨气静态吸附容量（g/L）：

式中：A(氨水)和A(纯水)分别为吸附剂单位体积氨水静态吸附容量和纯水静态吸附容量，g/L。

1.4.2 动态法测试

动态法吸附评价使用100 L密封舱或30 m3环境试验舱，在室温下对氨气分子进行实时动态净化性能测试。

首先，制备尺寸为40 mm×400 mm×20 mm的金属离子改性PP蜂窝材料用于100 L密封舱；尺寸310 mm×240 mm×20 mm的金属离子改性PP蜂窝材料用于30 m3密封舱。然后，在密封舱内放置加热器、氨气检测仪和空气净化测试装置。测试进行前，将含有待测氨气分子的标准溶液盛放在加热器上，利用加热器加热使氨气分子充分挥发，均匀扩散在密封舱内。当氨气浓度稳定后，开启空气净化测试装置，并使用氨气检测仪实时检测密封舱/环境舱内的氨气分子的浓度。氨气的初始浓度为18.8 mmol/m3。后续测试中，氨气的初始浓度设置为70～100 mmol/m3。根据式（3）计算氨气去除率（%）：

式中：c0、c1分别为氨气的初始浓度和净化后浓度，mmol/m3。

2 结果与讨论

2.1 铝氧化物改性PP蜂窝材料性能分析

2.1.1 铝氧化物活性层的影响

铝溶胶作为结构助剂能够增强不同原料之间的黏结作用，并在热处理后形成氧化物，提高材料的比表面积，增加表面活性位点[20]。图2为PP蜂窝材料和铝氧化物改性PP蜂窝材料的静态氨气吸附性能测试结果。

从图2可以看出，相较于PP蜂窝材料，铝氧化物改性PP蜂窝材料对氨气的吸附容量明显提升，60 min内氨气吸附容量从1.1 g/L提升至18.8 g/L。

图3为PP蜂窝材料和铝氧化物改性PP蜂窝材料的SEM图。

从图3可以看出，PP蜂窝材料的结构简单且表面光滑（图3a～c），铝氧化物改性PP蜂窝材料表面因形成涂覆层而变得粗糙（图3d～f），这有利于吸附性能的提高。

表1为PP蜂窝材料和铝氧化物改性PP蜂窝材料的表面EDS分析结果。

从表1可见，铝氧化物改性PP蜂窝材料表面具有铝和氧元素，说明PP表面形成了铝氧化物的涂覆层。根据n(Al)∶n(O)=1∶2，可以推测上述铝氧化物可能是AlOOH。

表2为PP蜂窝材料和铝氧化物改性PP蜂窝材料的结构参数。

从表2可以看出，PP蜂窝材料的BET比表面积为1.9 m2/g，孔容为1.0 mm3/g，表明PP蜂窝材料表面光滑，空隙结构相对简单。而铝氧化物改性PP蜂窝材料的比表面积升至4.1 m2/g，同时孔容提升至4.0 mm3/g，表明铝氧化物改性可以有效增加PP蜂窝材料的比表面积和孔容。

2.1.2 浸渍涂覆时间的影响

图4为不同浸渍时间（10和160 min）对铝氧化物改性PP蜂窝材料的静态氨气吸附容量的影响。

从图4可以看出，浸渍时间的长短对铝氧化物改性PP蜂窝材料的静态氨气吸附容量的影响不大。考虑到制备工艺的简易性，后续实验中铝氧化物改性PP蜂窝材料的制备均采用10 min的浸渍涂覆时间。

2.1.3 PP蜂窝材料孔径的影响

材料的孔径大小对气态污染物在材料中的扩散具有显著影响。图5为不同孔径（1.5、2.0和4.0 mm）PP蜂窝材料经铝氧化物改性后的氨气吸附性能。

从图5可以看出，孔径为2.0 mm的PP蜂窝材料制备的铝氧化物改性PP蜂窝材料的氨气吸附性能最佳。这可能是因为，该孔径的PP蜂窝材料经铝氧化物改性后，气体扩散阻力适中，增加了气体污染物与材料的接触时间，导致氨气吸附性能最优。因此，选择孔径为2.0 mm的PP蜂窝材料作为基底材料进行后续实验。

2.1.4 造孔剂的影响

尿素具有易挥发、沸点低、化学稳定性好等特点。与PP蜂窝材料相互作用后，由于尿素的分解温度相对较低，在热处理过程中能够分解并逸出，产生孔隙，因此被广泛用作造孔剂[21]。图6为有无造孔剂对制备的铝氧化物改性PP蜂窝材料的氨气吸附性能的影响。

从图6可以看出，加入造孔剂前后，铝氧化物改性PP蜂窝材料，60 min的氨气吸附容量从13.3 g/L增加至22.2 g/L，表明造孔剂的加入可以提升铝氧化物改性PP蜂窝材料的氨气吸附性能。

图7为添加造孔剂制备的铝氧化物改性PP蜂窝材料的SEM图。

从图7可以看出，加入造孔剂后的样品相比于未加入造孔剂的样品，展现出更多的PP纤维。在造孔剂投料量为0.1 mol/L的条件下，分解的尿素并不会对PP纤维表面的涂层造成破坏，反而能够使PP蜂窝表面的铝氧化物活性层变得更为疏松多孔，使部分被活性层厚厚掩盖的PP纤维基底能够显露出来。

表3为有无添加造孔剂制备的铝氧化物改性PP蜂窝材料的表面EDS分析结果。

从表3可以发现，铝氧化物改性PP蜂窝材料的表面不但出现了归属于造孔剂尿素分解后残留的N元素，而且归属于PP基底的C元素含量也显著提升，说明造孔剂提升了PP表面铝氧化物活性层的涂覆均匀性和多孔性。

图8为有无造孔剂制备的铝氧化物改性PP蜂窝材料的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布曲线。