引言

室内湿度是决定人们对室内空气质量感知的一个重要参数，同时也是室内物品和墙体等表面发生霉菌、斑点以及干裂等的一个重要诱因^[1]。优异的调湿材料可以有效的调节室内湿度的变化，避免过高和过低湿度的出现，进而保证为人类健康和物品提供良好的室内湿度环境，因此开发出良好性能的调湿材料具有重要的意义。

近年来以硅藻泥为代表的环保壁材开启了我国调湿材料产品开发与应用的热潮^[2]。硅藻土作为一种较成熟的天然矿物调湿材料目前研究的较多，且形成了一些较成熟的市场化产品。因此，在调湿性能方面，通过和硅藻土的调湿性能比较，可以初步间接评判一种材料是否可以成为一种优秀的调湿材料。红土镍矿酸浸渣作为红土镍矿湿法提取镍等有价金属后排放的工业废物大量的堆存，其组分主要为SiO₂，但目前针对红土镍矿酸浸渣的吸放湿性能还鲜有学者进行研究，探究其是否可作为调湿材料将为其高值开发利用开辟一条新的路径。

本文对红土镍矿酸浸渣和临江硅藻土的吸湿、放湿性能以及孔结构特性进行了系统的比较研究，得出了在三种湿度环境下的吸放湿曲线，并对孔结构特性与其调湿性能的关系进行了分析。

1 试验原料、仪器与方法 1.1 试验原料

红土镍矿酸浸渣由广西某公司提供, 主要成分为SiO₂和Fe₂O₃。硅藻土为临江某公司提供的产品, 主要成分为SiO₂和Al₂O₃。两种矿物的主要化学成分见表 1。

1.2 试验仪器

采用北京精微高博科技有限公司的JW-BK静态氮吸附仪对材料的比表面积、孔径分布、孔体积等孔结构信息进行表征；采用东莞市科文试验设备有限公司的KW-TH-225Z型可程式恒温恒湿试验箱测定材料的调湿(吸湿和放湿)性能^[3]；采用丹东市百特仪器有限公司的BT-1500离心沉降式粒度分布仪测定材料的粒度分布。

1.3 试验方法

本试验中检测材料的吸湿、放湿性能方法采用国际标准ISO12571标准(建筑材料及制品的湿热性能——吸湿性能的测定)中的干燥器法(即静态吸附法)^{[4, 5]}。试验方法为：(1)称量有封盖不吸湿密封称量瓶的质量后记为M₀，称取约1 g(精确至小数点后第四位)的粉末试样记为M₁，放置于称量瓶内；(2)将盛有试样的称量瓶在105 ℃烘箱中烘干至质量不再有变化，于干燥瓶中降温至室温，称量质量为M₂；(3)放置在由饱和盐溶液控制的湿度为98%、85%、75%的恒湿干燥器内，将干燥器放置于温度为23 ℃的恒温箱中；(4)分别隔1、2、3、6、12、24、36、48、60、72 h称重，72 h后统一放置在湿度为33%的干燥器中隔1、2、3、6、12、24、36、48、60、72 h称量其质量，依次记为M_n(n=3, 4，5…)。吸湿量的计算见公式(1)：

$ 吸湿量 = \frac{{{M_n}-{M_2}}}{{{M_2}-{M_0}}} \times 100\% $

(1)

式中：M₀为称量瓶质量；M₂为盛有干态样品的称量瓶质量；M_n为不同时刻状态下盛有样品的称量瓶质量。

2 结果与讨论

材料调湿性能的好坏主要由吸放湿性能来表征评价, 它包含两个方面的内容：(1)吸放湿量的大小; (2)吸放湿的快慢。前者反映吸放湿能力, 后者反映吸放湿的应答性^[5]。

2.1 吸放湿量

以时间为横坐标，吸湿量为纵坐标，将在不同干燥器测得数据处理做图，即可得到23 ℃时不同相对湿度条件下的吸放湿动力学曲线(图 1~图 3)。

由图 1、图 2可知，在75%RH和85%RH环境下红土镍矿酸浸渣均在72 h内达到了吸湿平衡，但硅藻土尚在微弱增加。红土镍矿酸浸渣平衡吸放湿量均接近硅藻土的3倍。75%RH环境下吸放湿过程几乎在24 h内全部完成，85%RH环境下放湿过程几乎在36 h内完成。由图 3可知，98%RH环境下红土镍矿酸浸渣72 h的最大吸湿量为23.65%，是同样条件下硅藻土的3倍多，在试验72 h结束时仍未达到吸湿平衡。同时放湿能力表现优异，是硅藻土的三倍左右，放湿过程在24 h完成。最终两种矿物在三个湿度环境中经过放湿都几乎到达同一平衡含湿量。

2.2 吸放湿速率

将邻近的两个吸湿量差除以其时间间隔得到平均吸放湿速率, 以时间为横坐标，吸放湿速率为纵坐标，将得到数据处理做图，即可得到23 ℃时不同相对湿度条件下的吸放湿速率曲线(图 4、图 5)。

由图 4、图 5可知，三个湿度下红土镍矿酸浸渣的吸湿速率和放湿速率均远远超过了硅藻土，湿度越高相应的吸放湿速率也越高，吸湿速率和放湿速率均随时间推移由大变小，刚开始很大，然后迅速减小，再缓慢减小至零。其中，除98%RH环境下红土镍矿酸浸渣外其它湿度下两种矿物吸湿速率均几乎在48 h接近零，红土镍矿酸浸渣在三个湿度下放湿速率在24 h接近零，而硅藻土的放湿速率，在几小时内就变为零。

2.3 湿度对调湿性能影响分析

以相对湿度为横坐标，72 h最大吸湿量为纵坐标，即可得到23 ℃时湿度对两种矿物的吸湿量影响图(图 6)。

由图 6可知，在湿度由75%向98%变化的过程中，红土镍矿酸浸渣的吸湿量变化量明显比硅藻土大，其吸湿量变化曲线接近指数增长，而硅藻土吸湿量变化曲线接近线性增长，说明红土镍矿酸浸渣对湿度变化更敏感，对湿度的调节性能更好。

2.4 孔结构比较分析

由离心沉降式粒度分布仪测定的两种材料粒度大小见表 2，由BET法计算得到的两种材料的比表面积见表 3。

由表 2可知，红土镍矿酸浸渣的d₁₀、d₅₀、d₉₇均大于硅藻土；由表 3可知，红土镍矿酸浸渣的比表面积和孔体积均远远大于硅藻土，而孔径也同样较大。矿物颗粒粒度越大，比表面积越小，但结合表 2、表 3数据分析，红土镍矿酸浸渣的粒度比硅藻土大，但是比表面积比硅藻土小，说明其孔结构丰富，孔隙率较高。

国际理论与应用化学协会所划分的(IUPAC)六种典型等温吸附线反映了吸附剂不同的表面性质、孔分布性质以及吸附质与吸附剂相互作用的性质，吸附剂等温吸附线类型一定程度上可直观反映出自身的孔道结构^[6]。渡村信冶等对国际化学联合会(IUPAC)所划分的等温吸附曲线种类进行了分析, 指出具有Ⅳ型或Ⅴ型等温吸附曲线的材料比较适合作为调湿材料^{[7, 8]}。由静态氮吸附仪测得的数据，以P/P₀为横坐标，吸(脱)附量为纵坐标，得到两种矿物的等温吸附曲线(图 7、图 8)。

由图 7可知，红土镍矿酸浸渣属于IUPAC曲线分类中的Ⅳ型等温吸附曲线，且存在明显的滞后环，表明为介孔结构，比较适合作为调湿材料；由图 8可知，硅藻土属于IUPAC曲线分类中的Ⅱ型等温吸附曲线，表明为大孔结构。调湿材料的孔结构、孔隙率及其孔径分布是决定调湿性能的关键参数^[8]。介孔对矿物调湿性能的影响大于大孔，介孔对比表面积的影响大于大孔，介孔结构较大孔可以在较低的外界蒸汽压下发生毛细管凝聚，显著提高矿物湿容量^[2]。再结合两种矿物在三种湿度环境下的吸放湿能力分析，红土镍矿酸浸渣的比表面积和孔体积大，孔隙结构丰富，所以其吸放湿能力强，适合作为一种优秀的调湿材料。

3 结论

(1) 红土镍矿酸浸渣在98%、85%、75%三个湿度下的吸放湿性能均优于硅藻土，吸放湿量约是硅藻土的三倍左右，吸放湿速率也很大，尤其在98%湿度环境下，最大吸湿量、放湿量、吸湿速率、放湿速率等指标远远超过了硅藻土。试验结果还反映出湿度越大，红土镍矿酸浸渣的调湿性能优势就越明显。

(2) 经比表面积比较研究和孔结构分析，红土镍矿酸浸渣的比表面积大且为孔隙丰富的介孔材料，再结合吸放湿能力分析，适合作为一种优良的调湿材料。