空氣凈化材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空氣凈化材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于化學(xué)催化分解【技術(shù)領(lǐng)域】。包括基材和錳氧化物，錳氧化物負(fù)載在基材上，所述錳氧化物是由高錳酸鹽和還原劑原位還原制備的水鈉錳礦型錳氧化物；所述基材為過濾棉、無紡布、棉布或紗布、具有過濾顆粒物功能的纖維。制備方法包括以下步驟：將季銨鹽和高錳酸鹽溶解在水中，加入基材；加入還原劑到上步驟所得溶液中，充分?jǐn)噭?；將上步驟所得的溶液進(jìn)行恒溫加熱；取出基材進(jìn)行干燥，獲得成品。本發(fā)明解決了將錳氧化物簡(jiǎn)便地負(fù)載在過濾棉等纖維材料基材上，使獲得低風(fēng)阻的凈化材料能夠在室溫下持續(xù)、快速地降解空氣中的甲醛、臭氧，且該凈化材料的制備方法簡(jiǎn)單、成本低、不引入其他污染物。
【專利說明】空氣凈化材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)催化分解【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及環(huán)境空氣中污染物分解【技術(shù)領(lǐng)域】。【背景技術(shù)】
[0002]空氣中含有大量顆粒物，如灰塵、塵埃、煙塵、礦塵、砂塵、粉末等，過濾型纖維基材在凈化去除空氣中的顆粒物方面起了不可或缺的作用，但是在人們工作、生活的室內(nèi)空間中還存在很多氣態(tài)的無機(jī)物污染物和揮發(fā)性有機(jī)污染物，如氮氧化物、臭氧、甲醛、甲苯、二甲苯等。其中甲醛具有刺激毒性，是一種致癌物質(zhì)，可經(jīng)由吸入及皮膚接觸而影響人體健康。它是一種常見的室內(nèi)空氣污染物，主要從室內(nèi)的建筑材料和裝飾物中釋放出來，且具有緩慢釋放、持久污染的特點(diǎn)。2002年，有研究者考察了多種金屬氧化物，如氧化銀、氧化銅、氧化鈷、氧化鋅、二氧化鈦、三氧化二鐵和二氧化猛等對(duì)甲醒的去除效果(AtmosphericEnvironment 2002, 36, 5543 - 5547)，發(fā)現(xiàn)常溫下二氧化錳對(duì)甲醛有最高的去除活性。近幾年有報(bào)道將猛氧化物負(fù)載于氧化招、二氧化鈦和顆?；钚蕴可?Applied Catalysis B:Environmental 2004，51，83-91; CN102294237; Top Catal 2008，47, 109 - 115;環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2008，28，337-341)，但是這些用于負(fù)載錳氧化物的顆粒型基材風(fēng)阻大，應(yīng)用于空氣氣體主動(dòng)式通風(fēng)凈化方式時(shí)很難實(shí)際使用，再者，對(duì)甲醛的去除效果較差，室溫下難以滿足實(shí)際需求。2011年，美國(guó)研究者將制備的錳氧化物用有機(jī)膠粘于玻璃纖維上在室溫下對(duì)甲醒有很好的去除效果(Applied Catalysis B: Environmental 2011, 107, 34 - 41),但是該種材料生產(chǎn)耗時(shí)較長(zhǎng)、工藝復(fù)雜且引入有機(jī)膠容易產(chǎn)生新的污染。也有研究者將錳氧化物負(fù)載于多孔紡織物上 Nano Lett.2010, 10, 708-714 ；Nano Lett.2011, 11，2905 - 2911)，其過程需要先將墨汁或石墨烯涂于材料表面，步驟較復(fù)雜，且錳氧化物負(fù)載不牢固，容易脫落。因此發(fā)明一種制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、風(fēng)阻低的便于實(shí)際應(yīng)用的凈化材料，對(duì)于經(jīng)濟(jì)有效去除室內(nèi)空氣中的甲醛污染具有重要的實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足提供一種以過濾棉、無紡布、棉布、紗布等具有過濾顆粒物功能的纖維為基材空氣凈化材料及其制備和再生方法，要解決的問題是如何將高錳酸鹽簡(jiǎn)便地負(fù)載在低風(fēng)阻的空氣過濾材料上，使獲得的負(fù)載錳氧化物的凈化材料能夠在室溫下持續(xù)、快速地降解空氣中的甲醛、臭氧，且該凈化材料的制備方法簡(jiǎn)單、成本低、不引入其他污染物。
[0004]本發(fā)明的一種空氣凈化材料，包括基材和錳氧化物，錳氧化物負(fù)載在基材上，其特征在于，所述基材為過濾棉、無紡布、棉布、紗布和具有過濾顆粒物功能的纖維，所述錳氧化物由高錳酸鹽和還原劑原位還原法制備的水鈉錳礦型錳氧化物。
[0005]本發(fā)明的一種空氣凈化材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
(1)將季銨鹽和高錳酸鹽溶解在水中,加入基材；
(2)加入還原劑到步驟(I)所得溶液中，充分?jǐn)噭颍? (3)將步驟（2)所得的溶液進(jìn)行恒溫加熱；
(4 )取出基材進(jìn)行干燥，獲得成品。
[0006]所述季銨鹽為十六烷基三甲基溴化銨和十六烷基三甲基氯化銨中的一種或任意比例的混合物。所述高錳酸鹽和基材的質(zhì)量比為1:0. 2?1:2。所述高錳酸鹽為水溶性的高錳酸鹽。所述水溶性的高錳酸鹽為高錳酸鈉、高錳酸鉀和高錳酸銨中的一種或它們的任意組合。所述還原劑為甲醇、乙醇和乙二醇中的一種或它們的任意組合。所述加熱溫度為室溫?50°C，時(shí)間是O. 5?12小時(shí)；所述的干燥溫度為室溫?200°C。所述季銨鹽的濃度為O. f IOg/L，高錳酸鹽與還原劑的物質(zhì)的量比為I: l(Tl: 300。
[0007]根據(jù)上述的空氣凈化材料或上述制備方法制備獲得的空氣凈化材料作為在任一需要凈化甲醛和/或臭氧的凈化裝置中或者直接將所述的凈化材料放置于需要凈化甲醛和/或臭氧的空間內(nèi)凈化材料的應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明所用的基材不僅可以過濾空氣中的顆粒物和粉塵，經(jīng)原位還原法負(fù)載的錳氧化物后在室溫下分解空氣中的甲醛和臭氧。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
(I)采用原位還原法一步合成負(fù)載型的錳氧化物，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0010](2)活性組分在過濾棉上負(fù)載牢固，且負(fù)載量以通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體高錳酸鹽的濃度調(diào)節(jié)。
[0011](3)制備得到的凈化材料風(fēng)阻低，且具有很好的柔韌性，便于制備成多種形狀，適合于多種形式的空氣凈化處理。
[0012](4)所發(fā)明的凈化材料可以在室溫下快速分解空氣中的甲醛，凈化成本低，且可以快速簡(jiǎn)便再生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖I為本發(fā)明過濾棉負(fù)載錳氧化物后的照片。
[0014]圖2為過濾棉負(fù)載錳氧化物前后的電子顯微鏡照片。
[0015]圖2a為過濾棉低倍電鏡照片。
[0016]圖2 b、圖2c為本發(fā)明過濾棉負(fù)載錳氧化物后的低倍電鏡照片；
圖2d為過濾棉高倍電鏡照片。
[0017]圖2e、圖2f為本發(fā)明過濾棉負(fù)載錳氧化物后的高倍電鏡照片。
[0018]圖3為本發(fā)明負(fù)載在過濾棉上錳氧化物的拉曼光譜。
[0019]圖4為本發(fā)明過濾棉負(fù)載錳氧化物對(duì)空氣中甲醛的去除效果圖。
[0020]圖5為本發(fā)明過濾棉負(fù)載錳氧化物對(duì)空氣中甲醛的再生效果圖。
[0021]如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的空氣凈化材料，包括基材和錳氧化物，錳氧化物負(fù)載在基材上，基材為過濾棉、無紡布、棉布、紗布和具有過濾顆粒物功能的纖維，其中錳氧化物可以是水鈉錳礦型錳氧化物。[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]實(shí)施例1:
稱取0.04克十六烷基三甲基溴化銨溶于20毫升超純水中，超聲溶解至形成均一溶液。將裁剪后的0.25克過濾棉放入配置的十六烷基三甲基溴化銨溶液中浸泡。稱取0.25克高錳酸鉀，將高錳酸鉀加入到放有過濾棉的十六烷基三甲基溴化銨溶液中。超聲至高錳酸鉀完全溶解，隨后加入15毫升甲醇，將所得的溶液放置于水浴45°C下反應(yīng)6小時(shí)。取出過濾棉在105°C下烘干，即得到錳氧化物負(fù)載的過濾棉。這時(shí)錳氧化物已包覆在基材表面。
[0025]圖1為本發(fā)明過濾棉負(fù)載錳氧化物后的照片，負(fù)載前過濾棉的顏色為白色，負(fù)載后(圖1)呈深色，說明有大量的錳氧化物已經(jīng)負(fù)載到了過濾棉上。
[0026]圖2為過濾棉負(fù)載錳氧化物前后的電鏡照片，圖2a和d為未負(fù)載的過濾棉不同放大倍數(shù)的電鏡照片，由圖知過濾棉纖維絲直徑20Mm，負(fù)載前其表面較為光滑。圖2b為負(fù)載后的電鏡照片，由圖2b可見過濾棉光滑的表面被反應(yīng)生成的錳氧化物緊密覆蓋。圖2e為負(fù)載后樣品的高倍電鏡照片，可見過濾棉表面的錳氧化物呈不規(guī)則片狀，相互凝結(jié)、結(jié)塊。
[0027]用5%硫酸和0.lmol/L的草酸鈉混合溶液浸泡負(fù)載猛氧化物后的過濾棉樣品,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定溶液中的錳離子含量，由此計(jì)算得到負(fù)載后過濾棉的錳含量為15mg/g。
[0028]用顯微共焦激光拉曼光譜儀分析負(fù)載的過濾棉上研磨下來的樣品，用532nm激光作為激發(fā)光源，所得光譜如圖3所示，在20(T1000 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)四個(gè)峰，其峰位分別為:502 (w)、569 (s)、648 (s)、798 (w)cm-l。由此推斷負(fù)載在過濾棉表面的錳氧化物為水鈉錳礦型錳氧化物。
[0029]實(shí)施例2
稱取0.04克十六烷基三甲基溴化銨溶于20毫升超純水中，超聲溶解至形成均一溶液。將裁剪后的0.25克過濾棉放入配置的十六烷基三甲基溴化銨溶液中浸泡。稱取0.25克高錳酸鉀，將高錳酸鉀加入到放有過濾棉的十六烷基三甲基溴化銨溶液中。超聲至高錳酸鉀完全溶解，隨后加入5毫升甲醇，將所得的溶液放置于室溫下反應(yīng)10小時(shí)。取出過濾棉烘干，即得到錳氧化物負(fù)載的過濾棉。
[0030]圖2為過濾棉負(fù)載錳氧化物前后的電鏡照片，由圖2c可見過濾棉光滑的表面被反應(yīng)生成的錳氧化物緊密覆蓋。圖2f為負(fù)載后樣品的高倍電鏡照片，可見過濾棉表面的錳氧化物仍然呈不規(guī)則片狀，但其片狀下方為結(jié)合緊實(shí)錳氧化物。
[0031]用5%硫酸和0.lmol/L的草酸鈉混合溶液浸泡負(fù)載猛氧化物后的過濾棉樣品，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定溶液中的錳離子含量，由此計(jì)算得到負(fù)載后過濾棉的錳含量為20mg/g。
[0032]圖3為該實(shí)施例制備的過濾棉上錳氧化物的拉曼光譜。用顯微共焦激光拉曼光譜儀分析負(fù)載的過濾棉上研磨下來的樣品，用532nm激光作為激發(fā)光源，所得光譜如圖3所示，在200?1000 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)四個(gè)峰，其峰位分別為:502 (w)、569 (s)、648 (s)、798(w) cm-1 ο由此推斷負(fù)載在過濾棉表面的錳氧化物為水鈉錳礦型錳氧化物。
[0033]實(shí)施例3
稱取0.04克十六烷基三甲基溴化銨溶于20毫升超純水中，超聲溶解至形成均一溶液。將裁剪后的0.25克過濾棉放入配置的十六烷基三甲基溴化銨溶液中浸泡。稱取0.15克高錳酸鉀，將高錳酸鉀加入到放有過濾棉的十六烷基三甲基溴化銨溶液中。超聲至高錳酸鉀完全溶解，隨后加入15毫升甲醇，將所得的溶液放置于室溫下反應(yīng)10小吋。取出過濾棉烘干，即得到錳氧化物負(fù)載的過濾棉。
[0034]用5%硫酸和0. lmol/L的草酸鈉混合溶液浸泡負(fù)載猛氧化物后的過濾棉樣品，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定溶液中的錳離子含量，由此計(jì)算得到負(fù)載后過濾棉的錳含量為14mg/g。
[0035]實(shí)施例4
稱取0. 08克十六烷基三甲基溴化銨溶于20毫升超純水中，超聲溶解至形成均一溶液。將裁剪后的0. 25克過濾棉放入配置的十六烷基三甲基溴化銨溶液中浸泡。稱取0. 25克高錳酸鈉，將高錳酸鉀加入到放有過濾棉的十六烷基三甲基溴化銨溶液中。超聲至高錳酸鉀完全溶解，隨后加入5毫升こ醇，將所得的溶液放置于室溫下反應(yīng)10小吋。取出過濾棉烘干，即得到錳氧化物負(fù)載的過濾棉。
[0036]實(shí)施例5
稱取0. 04克十六烷基三甲基氯化銨溶于20毫升超純水中，超聲溶解至形成均一溶液。將裁剪后的0. 25克過濾棉放入配置的十六烷基三甲基氯化銨溶液中浸泡。稱取0. 25克高錳酸銨，將高錳酸銨加入到放有過濾棉的十六烷基三甲基氯化銨溶液中。超聲至高錳酸銨完全溶解，隨后加入5毫升乙二醇，將所得的溶液放置于室溫下反應(yīng)10小吋。取出過濾棉烘干，即得到錳氧化物負(fù)載的過濾棉。
[0037]實(shí)施例6
在室溫下測(cè)定實(shí)施例f 5所獲得的負(fù)載錳氧化物的過濾棉對(duì)空氣中甲醛的去除效果。稱取0. 15g制備的材料，在`甲醛的進(jìn)氣濃度為4 mg/m3,相対濕度30~40%，氣流速度為IL/min,面速度為352. 8cm/min,停留時(shí)間~0. Is,以上氣流連續(xù)不斷地分別通過、.15g實(shí)施例r4制備的凈化材料在此條件下反應(yīng)I小時(shí)后，甲醛的去除效果如圖4所示，該材料在較高的甲醛氛圍下較少量的過濾材料在符合實(shí)際應(yīng)用的停留時(shí)間下對(duì)甲醛有較好的去除效果。
[0038]以實(shí)施例2制備的材料為例，考察了負(fù)載錳氧化物的過濾棉的再生效果。設(shè)定甲醛的進(jìn)氣濃度為0. 5mg/m3，相対濕度40%，氣流速度為lL/min，面速度為352. 8cm/min,以上氣流連續(xù)不斷地通過0. 32g實(shí)施例2制備的凈化材料，在此條件下，甲醛的凈化效果如圖5所示，新制備的負(fù)載錳氧化物的過濾棉在反應(yīng)80小時(shí)后對(duì)甲醛的去除率仍然為70%。把反應(yīng)80小時(shí)后的浄化材料在80°C下加熱再生2小時(shí)，再次在上述相同條件下測(cè)定其對(duì)甲醛的去除性能，其對(duì)甲醛的去除效果和新鮮的樣品相同，說明通過此方式可以再生這種凈化材料。
[0039]上述的過濾棉基材的材質(zhì)為腈綸、還可以選擇棉布、紗布、無紡布等具有過濾顆粒物功能的纖維等作為基材；上述的超聲溶解法還可以用攪拌方法；上述的恒溫加熱的方法可以采用水浴中恒溫加熱或在室溫下、電熱套、可控溫的加熱裝置都可以；干燥可以在室溫下或用可控溫的加熱裝置進(jìn)行干燥。
[0040]根據(jù)上述方法制備出的空氣凈化材料可以應(yīng)用到任何需要浄化空氣中甲醛和/或臭氧的浄化裝置中；或者直接將本發(fā)明的浄化材料放置于需要浄化甲醛和/或臭氧的空間內(nèi)。直接將本發(fā)明的浄化材料放置于需要浄化的空間內(nèi)，不僅成本低廉，并且仍然可以達(dá)到非常好的分解空氣中的甲醛、臭氧的效果。[0041]另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種空氣浄化材料，包括基材和錳氧化物，錳氧化物負(fù)載在基材上，其特征在于，所述基材為具有過濾顆粒物功能的纖維，所述錳氧化物由高錳酸鹽和還原劑原位還原法制備的水鈉猛礦型猛氧化物。
2.一種空氣浄化材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： (1)將季銨鹽和高錳酸鹽溶解在水中,加入基材； (2)加入還原劑到步驟（I)所得溶液中，充分?jǐn)噭颍? (3)將步驟（2)所得的溶液進(jìn)行恒溫加熱； (4)取出基材進(jìn)行干燥，獲得成品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述季銨鹽為十六烷基三甲基溴化銨和十六烷基三甲基氯化銨中的ー種或任意比例的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述高錳酸鹽和基材的質(zhì)量比為1:0. 2~1:2。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述高錳酸鹽為水溶性的高錳酸鹽。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述水溶性的高錳酸鹽為高錳酸鈉、高錳酸鉀和高錳酸銨中的ー種或它們的任意組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述還原劑為甲醇、こ醇和乙二醇中的ー種或它們的任意組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述加熱溫度為室溫~50°C，時(shí)間是0.5^12小時(shí)；所述的干燥溫度為室溫~200で。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述季銨鹽的濃度為0.f 10g/L，高錳酸鹽與還原劑的物質(zhì)的量比為l:l(Tl:300。
10.權(quán)利要求1所述的空氣凈化材料或權(quán)利要求2至9中任ー項(xiàng)所述制備方法制備獲得的空氣凈化材料作為在任一需要浄化甲醛和/或臭氧的浄化裝置中或者直接將所述的浄化材料放置于需要浄化甲醛和/或臭氧的空間內(nèi)凈化材料的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B01J23/34GK103480267SQ201310139928
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月22日
【發(fā)明者】張彭義, 李金格, 王金龍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)