王永明，邱 源，李彩云，努 娜，王會婭，王 勇

（1.武警學院 基礎(chǔ)部，河北 廊坊 065000；2.武警學院 防火工程系，河北 廊坊 065000）

防護面罩可分為全面罩和半面罩兩種結(jié)構(gòu)，防護口罩屬于半面罩，主要分為防塵的工業(yè)用口罩和防菌的醫(yī)療用口罩［1-2］。無論是工業(yè)級口罩還是醫(yī)療用口罩都是以物理阻擋為主［3］，即主要是對環(huán)境中的微塵、病毒、飛沫等進行阻擋。但隨著我國工業(yè)化程度的不斷提高，各種有毒有害物質(zhì)會不可避免地排放到空氣中，而這些物質(zhì)會隨著空氣通過普通口罩進入人的呼吸系統(tǒng)，故口罩的功能不能只局限于物理阻擋，還應該對通過口罩的有毒有害物質(zhì)進行無害化處理，從而真正起到防護效果。本文將無毒、穩(wěn)定、價廉且具有光催化作用［4-9］的TiO2負載于ACF（活性炭纖維），并將其應用于口罩上，使其能夠降解通過口罩的有毒有害物質(zhì)，從而使口罩起到真正的防護防毒功能。

1 口罩的改進

本實驗以N95型口罩（見圖1）為原型，在其原有的3層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加1層負載有納米TiO2的ACF，并置于原口罩的外層與中間層之間。ACF型號為TS-073，厚度為3.5～4mm，由江蘇南通通森活性炭有限公司生產(chǎn)，見圖2。

圖1 N95口罩

2 負載有納米TiO2的ACF降解苯效果檢測

2.1 實驗準備

2.1.1 實驗箱的設計

圖2 負載納米TiO2的ACF

本實驗的實驗箱為自制的實驗箱（見圖3），選擇厚度為3mm的有機玻璃材料，具有良好的密封性和抗壓性。長寬高分別為60cm、25cm、50cm。箱體分為二部分，左邊是氣體生成室，右邊為氣體降解室。兩箱體之間用有機玻璃隔開，h處裝帶電風扇的裝置，上面預留一定的窗口，既保持兩室的相對獨立性又保持兩室之間的相通性，使產(chǎn)生的氣態(tài)苯能夠在箱體內(nèi)循環(huán)以達到苯濃度的均勻分布。氣體生成室留有進料孔，降解室留有檢測孔，并在中間設有格柵板用于放置負載納米TiO2的ACF。

圖3 實驗箱立體圖

2.1.2 檢測儀器的選擇

本實驗選擇手持式ppbRAE TVOC快速檢測儀（型號PGM-7240）。該儀器的靈敏度高（能夠檢測十億分之一氣態(tài)有機化合物）、檢測量程大（量程：0～9999×10-9、0～200×10-6）、檢測時間長（電池為可充電鎳氫電池，能夠連續(xù)工作10h）、自動抽氣取樣（400 mL／min）、自動記錄數(shù)據(jù)、檢測及時等特點。

2.1.3 降解對象苯的選擇

苯為無色油狀液體，有特殊芳香氣味，易揮發(fā)，沸點為80.1℃，不溶于水，易溶于醇、醚、丙酮等多數(shù)有機溶劑。苯蒸氣比空氣重2.77倍，能在較低處擴散到相當遠的地方。苯極其穩(wěn)定，在1 000℃高溫下也不發(fā)生熱解，常溫下需要強氧化劑才能發(fā)生反應。苯是芳香族化合物中的代表物質(zhì)，相比較而言，也是芳香族化合物中最難降解的物質(zhì)。苯的來源廣、毒性大、污染持續(xù)時間長，對人們的生活和環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅［10-11］，早于1993年就被世界衛(wèi)生組織（WHO）確定為致癌物，人吸入24 000mg／m3濃度的苯蒸氣30min或64 000mg／m3濃度5～10min可致死。成人口服致死量為10mL。苯可經(jīng)呼吸道、消化道或者皮膚吸收。本實驗主要檢測負載有納米TiO2的ACF降解性能。由于苯在有機污染物中的穩(wěn)定性最好，危害性比較大，在國內(nèi)防毒面具的測試標準中基本上是采用苯來代替有機污染物的防毒性能測試［12］，如果能夠降解苯，一般的有機污染物也能降解，因此本實驗采用苯作為降解對象。

2.2 降解實驗

2.2.1 空白實驗

密封自制實驗箱，用手持式ppbRAE TVOC快速檢測儀檢測，當檢測數(shù)據(jù)為0時，注入28μL苯，并用手持式ppbRAE TVOC快速檢測儀每隔5s讀取一次數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 濃度隨時間變化曲線

從圖4可以看出：注入苯后，濃度很快達到最大值，超過3h后濃度仍保持不變，這說明苯具有很好的擴散能力，而且自制容器的密封性很好。

2.2.2 負載納米TiO2的ACF的制備

本實驗的ACF尺寸是根據(jù)防毒口罩的所需尺寸來確定（約為0.16m2）。因ACF表面可能附著有灰塵、無機物、有機物等，故需對ACF進行預處理：將裁好的ACF放入盛有去離子水的超聲波清洗儀中浸泡10min，放入離心機中離心15min（實驗表明離心15 min后兩次之間的質(zhì)量幾乎不發(fā)生變化）以除去表面的灰塵；將離心甩干后的ACF放入盛有3%稀鹽酸的超聲波清洗儀中浸泡10min，再放入離心機中離心15 min以除去無機雜質(zhì)；將鹽酸處理后的ACF放入盛有無水乙醇的超聲波清洗儀中浸泡10min，再放入離心機中離心15min以除去有機雜質(zhì)；將處理后的ACF放入烘箱中烘干，溫度調(diào)節(jié)到120℃，升溫速率為6℃／min，恒溫3h后取出稱量備用。

將5.0g高催化活性TiO2粉末通過高速旋轉(zhuǎn)的磁子均勻分散到1L去離子水中，將其轉(zhuǎn)入超聲波振蕩器中，并將處理好的ACF放入其中振蕩一定時間（根據(jù)負載量的多少來確定振蕩的時間）后取出離心15min，并放入烘箱中保持溫度在400℃左右加熱2h后自然降溫到室溫稱量后備用。

2.2.3 實驗數(shù)據(jù)及分析

對負載有納米TiO2的ACF進行降解苯污染物實驗。苯初始濃度為200×103mg／m3，實驗溫度為20℃，下一次實驗是當上一次實驗的數(shù)據(jù)變?yōu)?時繼續(xù)注入苯并進行檢測。實驗結(jié)果記錄如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在進行的17次實驗中，前13次所用時間基本相同，10min左右可以將苯降解，第14次到17次時間從15min逐漸延長到50min，說明負載有TiO2的ACF在前13次都能夠很好地催化降解苯。前13次共催化降解苯0.32g，對應質(zhì)量濃度為6 280 mg／m3，是國家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB／T18883—2002（苯的安全值0.11mg／m3）的57 090倍；所用時間106 min，這說明在苯濃度較高的情況下添加TiO2-ACF結(jié)構(gòu)層的口罩可以有效防止苯的傷害。

圖5 負載TiO2的ACF連續(xù)降解苯曲線

3 結(jié)論與展望

本文研制的口罩除了有防塵、阻菌的作用外，還有以下幾個方面的優(yōu)勢：添加TiO2的ACF層是將吸附性能更佳的活性炭粉末通過特殊工藝載附到滌綸纖維上制成的，其孔徑小（1.7～2.0nm），比表面積大，具有良好的吸附性和集塵效果；負載于ACF上的納米TiO2能夠?qū)τ卸練怏w進行有效的催化降解；ACF孔徑在1.7～2.0nm 之間，對PM2.5等多種有毒有害物質(zhì)具有很強的隔斷效果；負載TiO2-ACF新型防毒口罩可以通過對填充物加熱處理后重復利用。

圖6 負載TiO2的ACF降解苯的次數(shù)與時間關(guān)系曲線

苯屬于小分子物質(zhì)，能夠隨著空氣進入人的呼吸系統(tǒng)，負載TiO2的ACF對苯可以起到很好的催化降解作用。為阻止苯等有毒有害物質(zhì)盡可能少地進入人的呼吸系統(tǒng)，還需對口罩的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀等進行進一步的改進，使口罩真正起到防護作用，這些方面還有待進一步研究。

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