Optimized porous clay heterostructure for removal of acetaldehyde and toluene from indoor air

Abstract

Adsorption is the most widely used technology for the removal of indoor volatile organic compounds (VOCs). However, existing adsorbent-based technologies are inadequate to meet the regulatory requirement, due to their limited adsorption capacity and efficiency, especially under high relative humidity (RH) conditions. In this study, a series of new porous clay heterostructure (PCH) adsorbents with various ratios of micropores to mesopores were synthesized, characterized and tested for the adsorption of acetaldehyde and toluene. Two of them, PCH25 and PCH50, exhibited markedly improved adsorption capability, especially for hydrophilic acetaldehyde. The improved adsorption was attributed to their large micropore areas and high micropore-to-mesopore volume ratios. The amount of acetaldehyde adsorbed onto PCH25 at equilibrium reached 62.7 mg·g⁻¹, eight times as much as the amount adsorbed onto conventional activated carbon (AC). Even at a high RH of 80%, PCH25 removed seven and four times more of the acetaldehyde than AC and the unmodified raw PCHs did, respectively. This new PCH optimized for their high adsorption and resistance to humidity has promising applications as a cost-effective adsorbent for indoor air purification.

Keywords

porous clay heterostructure / volatile organic compounds / adsorption / adsorbent / indoor air

References

[1] Clarisse B, Laurent A M, Seta N, Le Moullec Y, El Hasnaoui A, Momas I. Indoor aldehydes: measurement of contamination levels and identification of their determinants in Paris dwellings. Environmental Research, 2003, 92(3): 245–253

[2] Weng M, Zhu L, Yang K, Chen S. Levels, sources, and health risks of carbonyls in residential indoor air in Hangzhou, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 163(1−4): 573–581

[3] Guo H. Source apportionment of volatile organic compounds in Hong Kong homes. Building and Environment, 2011, 46(11): 2280–2286

[4] Du Z J, Mo J H, Zhang Y P, Xu Q J. Benzene, toluene and xylenes in newly renovated homes and associated health risk in Guangzhou, China. Building and Environment, 2014, 72: 75–81

[5] Lyu J Z, Zhu L Z, Burda C. Optimizing nanoscale TiO₂ for adsorption-enhanced photocatalytic degradation of low-concentration air pollutants. Chemcatchem, 2013, 5(10): 3114–3123

[6] Chiang C Y, Liu Y Y, Chen Y S, Liu H S. Absorption of hydrophobic volatile organic compounds by a rotating packed bed. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(27): 9441–9445

[7] Lashaki M J, Fayaz M, Wang H H, Hashisho Z, Philips J H, Anderson J E, Nichols M. Effect of adsorption and regeneration temperature on irreversible adsorption of organic vapors on beaded activated carbon. Environmental Science & Technology, 2012, 46(7): 4083–4090

[8] Chen H M, He J H, Zhang C B, He H. Self-assembly of novel mesoporous manganese oxide nanostructures and their application in oxidative decomposition of formaldehyde. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(49): 18033–18038

[9] Li L, Liu S, Liu J. Surface modification of coconut shell based activated carbon for the improvement of hydrophobic VOC removal. Journal of Hazardous Materials, 2011, 192(2): 683–690

[10] Nouri S, Haghseresht F. Adsorption of p-nitrophenol in untreated and treated activated carbon. Adsorption-Journal of the International Adsorption Society, 2004, 10(1): 79–86

[11] Cal M P, Rood M J, Larson S M. Removal of VOCs from humidified gas streams using activated carbon cloth. Gas Separation & Purification, 1996, 10(2): 117–121

[12] Chmielarz L, Kustrowski P, Piwowarska Z, Dudek B, Gil B, Michalik M. Montmorillonite, vermiculite and saponite based porous clay heterostructures modified with transition metals as catalysts for the DeNOx process. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 88(3−4): 331–340

[13] Chmielarz L, Piwowarska Z, Kustrowski P, Gil B, Adamski A, Dudek B, Michalik M. Porous clay heterostructures (PCHs) intercalated with silica-titania pillars and modified with transition metals as catalysts for the DeNOx process. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 91(1−2): 449–459

[14] Pires J, Bestilleiro M, Pinto M, Gil A. Selective adsorption of carbon dioxide, methane and ethane by porous clays heterostructures. Separation and Purification Technology, 2008, 61(2): 161–167

[15] Pires J, Araújo A C, Carvalho A P, Pinto M L, González-Calbet J M, Ramírez-Castellanos J. Porous materials from clays by the gallery template approach: synthesis, characterization and adsorption properties. Microporous and Mesoporous Materials, 2004, 73(3): 175–180

[16] Santos C, Andrade M, Vieira A L, Martins A, Pires J, Freire C, Carvalho A P. Templated synthesis of carbon materials mediated by porous clay heterostructures. Carbon, 2010, 48(14): 4049–4056

[17] Nunes C D, Pires J, Carvalho A P, Calhorda M J, Ferreira P. Synthesis and characterisation of organo-silica hydrophobic clay hetero structures for volatile organic compounds removal. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 111(1−3): 612–619

[18] Qu F, Zhu L, Yang K. Adsorption behaviors of volatile organic compounds (VOCs) on porous clay heterostructures (PCH). Journal of Hazardous Materials, 2009, 170(1): 7–12

[19] Zhu H Y, Ding Z, Barry J C. Porous solids from layered clays by combined pillaring and templating approaches. Journal of Physical Chemistry B, 2002, 106(44): 11420–11429

[20] Hu X J, Qiao S Z, Zhao X S, Lu G Q. Adsorption study of benzene in ink-bottle-like MCM-41. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(3): 862–867

[21] Rege S U, Yang R T. Corrected Horváth-Kawazoe equations for pore-size distribution. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2000, 46(4): 734–750

[22] Wei L M, Tang T, Huang B T. Novel acidic porous clay heterostructure with highly ordered organic-inorganic hybrid structure: one-pot synthesis of mesoporous organosilica in the galleries of clay. Microporous and Mesoporous Materials, 2004, 67(2−3): 175–179

[23] Lippens B C, Deboer J H. Studies on Pore Systems In Catalysts: V. The tMethod. Journal of Catalysis, 1965, 4(3): 319–323

[24] Kowalczyk P, Terzyk A P, Gauden P A, Leboda R, Szmechtig-Gauden E, Rychlicki G, Ryu Z Y, Rong H Q. Estimation of the pore-size distribution function from the nitrogen adsorption isotherm. Comparison of density functional theory and the method of Do and co-workers. Carbon, 2003, 41(6): 1113–1125

[25] Wang Z M, Kaneko K. Effect of pore width on micropore filling mechanism of SO₂ in carbon micropores. Journal of Physical Chemistry B, 1998, 102(16): 2863–2868

[26] Hanzawa Y, Suzuki T, Kaneko K. Entrance-enriched micropore filling of n-nonane. Langmuir, 1994, 10(9): 2857–2859

[27] Kosuge K, Kubo S, Kikukawa N, Takemori M. Effect of pore structure in mesoporous silicas on VOC dynamic adsorption/desorption performance. Langmuir, 2007, 23(6): 3095–3102

[28] Skubiszewska-Zięba J, Charmas B, Leboda R, Staszczuk P, Kowalczyk P, Oleszczuk P. Effect of hydrothermal modification on the porous structure and thermal properties of carbon-silica adsorbents (carbosils). Materials Chemistry and Physics, 2003, 78(2): 486–494

[29] Takeuchi M, Hidaka M, Anpo M. Efficient removal of toluene and benzene in gas phase by the TiO₂/Y-zeolite hybrid photocatalyst. Journal of Hazardous Materials, 2012, 237−238: 133–139

[30] Xu L, Zhu L. Structures of OTMA- and DODMA-bentonite and their sorption characteristics towards organic compounds. Journal of Colloid and Interface Science, 2009, 331(1): 8–14

[31] Cecilia J A, García-Sancho C, Franco F. Montmorillonite based porous clay heterostructures: Influence of Zr in the structure and acidic properties. Microporous and Mesoporous Materials, 2013, 176: 95–102

[32] Pálková H, Madejová J, Zimowska M, Serwicka E M. Laponite-derived porous clay heterostructures: II. FTIR study of the structure evolution. Microporous and Mesoporous Materials, 2010, 127(3): 237–244

[33] Stefanov B I, Topalian Z, Granqvist C G, Osterlund L. Acetaldehyde adsorption and condensation on anatase TiO₂: influence of acetaldehyde dimerization. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2014, 381: 77–88

[34] Singh M, Zhou N, Paul D K, Klabunde K J. IR spectral evidence of aldol condensation: Acetaldehyde adsorption over TiO₂ surface. Journal of Catalysis, 2008, 260(2): 371–379

[35] Cao H B, Du P F, Song L X, Xiong J, Yang J J, Xing T H, Liu X, Wu R R, Wang M C, Shao X L. Co-electrospinning fabrication and photocatalytic performance of TiO₂/SiO₂ core/sheath nanofibers with tunable sheath thickness. Materials Research Bulletin, 2013, 48(11): 4673–4678

Acknowledgements

This work was supported by grants from the National High Technology Research and Development Program of China (Grant Nos. 2010AA064902 and 2012AA062702) and the Key Innovation Team for Science and Technology of Zhejiang Province (No.2009R50047).

is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11783-014-0760-z and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg