碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料及其應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于空氣凈化【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料及其應(yīng)用。它解決了現(xiàn)有技術(shù)空氣凈化效果不佳的技術(shù)問(wèn)題。本催化凈化材料包括碳基載體，所述的碳基載體載入磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須中的任意一種或兩者的組合。本發(fā)明將磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須優(yōu)異的催化特性與活性炭強(qiáng)大的吸附性能相結(jié)合，本發(fā)明消除甲醛、苯等物質(zhì)只需要空氣中存在水和氧就能自然進(jìn)行，無(wú)需可見(jiàn)光、紫外線光的照射，各種場(chǎng)合都可以方便使用；并可以根據(jù)需要，加工制造成各種形狀、用途的空氣過(guò)濾材料、空氣凈化包、空氣凈化片、空氣凈化盒、空氣凈化模塊等產(chǎn)品。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空氣凈化【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的 催化凈化材料及其應(yīng)用。 碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料及其應(yīng)用

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著室內(nèi)裝修的不斷升溫，各種建筑材料的廣泛應(yīng)用，由此引發(fā)的室內(nèi)空氣污染 越來(lái)越受到人們的關(guān)注，其中主要的污染物為來(lái)源于油漆、膠合板、刨花板、內(nèi)墻涂料、塑料 貼面等材料中的甲醒、苯、V0Cs(Volatile Organic Compounds)等揮發(fā)性有機(jī)物。根據(jù)調(diào) 查結(jié)果顯示，超過(guò)七成的調(diào)查樣板戶存在不同程度的室內(nèi)空氣污染超標(biāo)。按照室內(nèi)空氣評(píng) 價(jià)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，有75%的樣品存在超標(biāo)。排在污染前四位的有害物質(zhì)分別是甲醛、苯、甲苯和 二甲苯，家具和裝修建材依然是造成室內(nèi)污染最主要的兩大污染源之一。室內(nèi)污染嚴(yán)重地 影響著人們的健康，它對(duì)人體健康的危害可以歸納為刺激作用、毒性作用和致癌作用。此 夕卜，在車(chē)廂、公共場(chǎng)所、家具等各領(lǐng)域都存在有害物質(zhì)超標(biāo)的問(wèn)題，對(duì)人體及環(huán)境造成不良 影響。
[0003] 活性炭是一種非常優(yōu)良的吸附劑，它是利用木炭、各種果殼和優(yōu)質(zhì)煤等作為原料， 通過(guò)物理和化學(xué)方法對(duì)原料進(jìn)行破碎、過(guò)篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序 加工制造而成。它具有物理吸附和化學(xué)吸附的雙重特性，可以有選擇地吸附氣相、液相中的 各種物質(zhì)，以達(dá)到脫色精制、消毒除臭和去污提純等目的?；钚蕴繌V泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的 各個(gè)方面?；钚蕴烤哂蓄?lèi)石墨片層結(jié)構(gòu)，石墨層面中的π電子具有一定的催化活性，邊緣 及表面缺陷處的碳原子具有不對(duì)稱或不成對(duì)電子可以在催化中產(chǎn)生效能作用，其表面含氧 基團(tuán)能呈現(xiàn)出堿和固體酸的催化作用，同時(shí)其擁有的非常發(fā)達(dá)的比表面積和規(guī)則良好的孔 隙（徑）分布以及豐富的表面官能團(tuán)?；钚蕴坎牧喜徽撛趬A性或者酸性的環(huán)境下均具有很 穩(wěn)定的物理或化學(xué)特性，因此它是一種很好的催化劑載體材料，被廣泛地應(yīng)用到凈化領(lǐng)域。
[0004] 然而，普通的活性炭至少存在著下述不足之處：1、僅能對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行吸附，當(dāng)使 用一段時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致吸附飽和，喪失凈化能力，使用壽命較短。2、吸附飽和的活性炭會(huì)導(dǎo)致 有害物質(zhì)脫附溢出，長(zhǎng)期放置不僅起不到凈化作用，反而會(huì)成為污染源，雖然通過(guò)暴曬的方 式可以再次提升吸附能力，但是提升的幅度有限，而且操作不夠方便。為此，人們進(jìn)行了長(zhǎng) 期的探索，提出了各種各樣的解決方案。例如，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種活性炭再生方法及 活性炭再生系統(tǒng)裝置[申請(qǐng)?zhí)枺?01210102913. 5]，方法：在再生催化液儲(chǔ)罐內(nèi)按體積比添 加自來(lái)水、硫酸和催化劑三價(jià)鐵或者二價(jià)鐵離子，組成再生催化液。再生催化液中的硫酸和 自來(lái)水的比例是根據(jù)pH值進(jìn)行調(diào)整，再生催化液中的pH值應(yīng)調(diào)為1?3,再生催化液中含 三價(jià)鐵離子或者二價(jià)鐵離子濃度為2?40mmol/l ;把再生催化液和氧化劑雙氧水混合后形 成再生液加入需再生活性炭吸附裝置的再生液進(jìn)口，混合液流過(guò)活性炭吸附裝置后從活性 炭吸附裝置另一端的再生液出口流入如再生催化液儲(chǔ)罐。還有人發(fā)明了一種超聲波在線再 生活性炭過(guò)濾器及其活性炭再生方法[申請(qǐng)?zhí)?：201210491453.X]，包括罐體、超聲波發(fā)生 器、攪拌器及攪拌電機(jī)。當(dāng)過(guò)濾器內(nèi)的活性炭飽和后，先對(duì)活性炭過(guò)濾器進(jìn)行正洗和反洗， 然后關(guān)閉進(jìn)水閥、出水閥和排閥，啟動(dòng)攪拌器對(duì)活性進(jìn)行攪拌，接著通蒸汽對(duì)過(guò)濾器內(nèi)的活 性炭進(jìn)行加熱，當(dāng)過(guò)濾器內(nèi)的水溫達(dá)到90°C后，停止蒸汽加熱，然后啟動(dòng)超聲波發(fā)生器，超 聲波發(fā)生器將使活性炭和水進(jìn)行高速振動(dòng)，并發(fā)生空化，在空化時(shí)將產(chǎn)生很高的溫度和高 壓，使活性炭表面及內(nèi)部的污垢被脫除，然后開(kāi)啟污水閥和出水閥，通過(guò)反洗將污垢排除， 從而使活性炭重新恢復(fù)吸附能力。
[0005] 上述方案雖然具有能夠?qū)崿F(xiàn)活性炭的再生，但是仍然存在著操作過(guò)程復(fù)雜，成本 高，能源消耗大，容易造成環(huán)境污染等技術(shù)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種催化效能高，可以實(shí)現(xiàn)在常溫常壓下邊 吸附邊降解有害物質(zhì)，可以多次循環(huán)使用，大幅降低使用成本的碳基高效吸附并分解有害 物質(zhì)的催化凈化材料及其應(yīng)用。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：本碳基高效吸附并分解有害物質(zhì) 的催化凈化材料，其特征在于，本催化凈化材料包括碳基載體，所述的碳基載體載入磷酸二 氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須中的任意一種或兩者的組合。
[0008] 在上述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料中，所述的碳基載體包括 活性炭。本發(fā)明中的碳基載體通常采用活性炭，當(dāng)然還可以在活性炭中摻入普通炭。
[0009] 本發(fā)明以活性炭為基礎(chǔ)載體，利用活性炭發(fā)達(dá)的比表面積和強(qiáng)勁的物理吸附特性 并載入具有較強(qiáng)催化功能的磷酸二氧化鈦和/或四針狀氧化鋅晶須的一種復(fù)合型催化凈 化材料。磷酸二氧化鈦是一種具有一次元細(xì)孔構(gòu)造的物質(zhì)，是由磷酸、鈦酸、硅酸形成的無(wú) 機(jī)酸非晶體化合物；四針狀氧化鋅晶須是一種外觀呈白色疏松狀粉體，微觀為三維四針狀 立體結(jié)構(gòu)，即晶須有一核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，每根針狀體均為單晶體 微纖維，任兩根針狀體的夾角為相等的氧化鋅晶體物質(zhì)。本發(fā)明采用了活性炭、磷酸二氧化 鈦/四針狀氧化鋅各自的功能特點(diǎn)，只需甲醛、苯等有害物質(zhì)存在于空氣中便可自然分解， 無(wú)需可見(jiàn)光、紫外線、化學(xué)催化等特定條件，適用于各種場(chǎng)合，并且安全無(wú)毒。
[0010] 更具體地說(shuō)，磷酸二氧化鈦是一種具有2?50納米一次元細(xì)孔構(gòu)造的物質(zhì)，是由 磷酸、鈦酸、硅酸形成的無(wú)機(jī)酸非晶體薄膜，溶液中的固體物質(zhì)粒度以10納米左右分布。非 晶體薄膜形成萬(wàn)分之一毫米程度多孔的組織，其微細(xì)孔內(nèi)發(fā)生著包括吸附性的某些催化反 應(yīng)，與氧化鈦光觸媒通過(guò)紫外線照射發(fā)生催化作用的原理不同。二氧化鈦的表面積為每克 50平方米左右，磷酸二氧化鈦的表面積為每克700平方米左右，被認(rèn)為具有強(qiáng)烈的吸附性 和因納米粒子特性的電位轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生高能量的易位反應(yīng)。這種催化劑與光催化劑的作用原 理不同，并不需要紫外線的照射便能反復(fù)起到除臭和抗菌效果。這種催化劑除在暗室也能 產(chǎn)生效果外，因其不需要用粘合劑，具有耐水性，耐擦、不變色，不老化，透明性好等優(yōu)點(diǎn)。能 分解甲醛、苯、氨、硫化氫、乙醛等揮發(fā)性有機(jī)物，并能起到抗菌、防污的作用。由于不使用 溶劑，無(wú)毒無(wú)害。四針狀氧化鋅晶須是一種外觀呈白色疏松狀粉體，微觀為三維四針狀立 體結(jié)構(gòu)，即晶須有一核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，每根針狀體均為單晶體微 纖維，任兩根針狀體的夾角為109°。晶須的中心體直徑0.7?1.4μπι，針狀體根部直徑 0. 5?14 μ m，針狀體長(zhǎng)度為3?200 μ m，電子衍射圖像顯不晶須具有位錯(cuò)小、晶格缺陷少的 單晶性；原子吸收光譜顯示晶須雜質(zhì)含量少，氧化鋅含量為99. 95%，因此四針狀氧化鋅晶 須近似于單晶。它是迄今所有晶須中唯一具有空間立體結(jié)構(gòu)的晶須，因其獨(dú)特的立體四針 狀三維結(jié)構(gòu)，很容易實(shí)現(xiàn)在基體材料中的均勻分布，從而各向同性地改善材料的物理性能， 同時(shí)賦予材料多種獨(dú)特的功能特性。四針狀氧化鋅晶須具有半導(dǎo)體特性的氧化鋅晶須納米 活性成份，能在水分和空氣存在的體系中自行產(chǎn)生出自由電子，同時(shí)留下帶正電的空穴。產(chǎn) 生的帶正電的空穴具有很強(qiáng)的氧化作用，負(fù)氧離子和羥基自由基非?；顫姡袠O強(qiáng)的化學(xué) 活性，能切斷常見(jiàn)有害有機(jī)物的化學(xué)鍵，達(dá)到氧化分解有害有機(jī)物的效果。常見(jiàn)的有害有機(jī) 物，如甲醛、苯等。
[0011] 本發(fā)明克服活性炭催化效能低下的不足；克服磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須 的形態(tài)較為單一，不易制備，不方便多方面應(yīng)用的不足；克服磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅 晶須比表面小，吸附能力差的不足；克服磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須造價(jià)成本高不 易推廣應(yīng)用的不足?？梢栽谑覝叵掠行讲⑾諝庵械奈廴疚镂镔|(zhì)，如甲醛、苯等揮發(fā) 性有機(jī)物及生活異味和霉菌等。其中，磷酸二氧化鈦為由磷酸、鈦酸、硅酸形成的無(wú)機(jī)酸非 晶體薄膜或溶液或固體物質(zhì)粒度，以及上述不同物質(zhì)單獨(dú)或兩種以上物質(zhì)混合的二氧化鈦 化合物，以及含有上述物質(zhì)特征的各種制備材料。其中，四針狀氧化鋅晶須為立體四針狀單 晶體物質(zhì)的粉狀或液態(tài)或固體物質(zhì)粒度，以及上述不同形態(tài)單獨(dú)或多種形態(tài)混合的含有四 針狀氧化鋅晶須的材料。
[0012] 在上述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料中，所述的活性炭包括纖 維狀活性炭、柱狀活性炭、蜂窩狀活性炭、球狀活性炭、顆?；钚蕴?、粉狀活性炭、網(wǎng)狀活性 炭、活性炭原炭、由活性炭粉末經(jīng)粘合劑粘結(jié)而成的活性炭幾何體中的任意一種或多種的 組合。
[0013] 在上述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料中，所述的磷酸二氧化鈦 的載入量占催化凈化材料總重量的0. 1?40% ;所述的四針狀氧化鋅晶須的載入量占催化 凈化材料總重量的0. 1?40% ;余量為碳基載體。
[0014] 在上述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料中，所述的磷酸二氧化鈦 或四針狀氧化鋅晶須以物理吸附、離子鍵、共價(jià)鍵、物理或化學(xué)涂覆拌合方式載入碳基載 體。
[0015] 基于上述碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制成的纖維。該纖維用作 空氣裝置的濾材，以消除空氣中的甲醛、苯等有害物質(zhì)。
[0016] 基于上述碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制成的蜂窩載體，該蜂窩 載體用于消除空氣中的甲醛、苯等有害物質(zhì)。
[0017] 基于上述碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制成的幾何體。具體而 言，碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料用于制備成活球、柱、粒、棒、塊、片等幾 何體，從而制成空氣凈化包、片、盒、模塊等，以消除空氣中的甲醛、苯等有害氣體。
[0018] 基于上述碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料粘合或載入的紡織品，該 紡織品用于消除甲醛、苯等有害物質(zhì)。
[0019] 基于上述碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制成的空氣凈化包，其特 征在于，包括透氣包裝，所述的透氣包裝內(nèi)裝有碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化 材料。本空氣凈化包用以消除室內(nèi)空氣或汽車(chē)內(nèi)的甲醛、苯等有害物質(zhì)。
[0020] 本發(fā)明消除甲醛、苯等物質(zhì)的方法只需要空氣中存在水和氧就能自然進(jìn)行，無(wú)需 可見(jiàn)光、紫外線光的照射，各種場(chǎng)合都可以方便使用；并可以根據(jù)需要，加工制造成各種形 狀、用途的空氣過(guò)濾材料、空氣凈化包、空氣凈化片、空氣凈化盒、空氣凈化模塊等產(chǎn)品。
[0021] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料及其應(yīng)用的 優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明將磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須優(yōu)異的催化特性與活性炭強(qiáng)大的吸 附性能相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)：一、負(fù)載有磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須的活性炭或活性炭 材料可以邊吸附邊催化降解甲醛、苯等有機(jī)物質(zhì)氣體，避免了單純活性炭吸附甲醛、苯等有 害氣體易飽的缺陷，甲醛和苯等有害物質(zhì)被催化后生成無(wú)害的二氧化碳和水；二、負(fù)載有 磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須的活性炭或活性炭材料可以實(shí)時(shí)誘導(dǎo)并分解甲醛、苯等 有害物質(zhì)，避免單純活性炭吸附飽和脫附的缺陷；三、磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須與 活性炭結(jié)合，增強(qiáng)了催化性中心數(shù)量，從而增強(qiáng)磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須的催化活 性；四、負(fù)載有磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須的活性炭因其同時(shí)擁有穩(wěn)定的理化特性和 催化功能，應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍被大大增強(qiáng)；五、負(fù)載有磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須 的活性炭組合并發(fā)揮了單純的磷酸二氧化鈦、四針狀氧化鋅晶須與活性炭最大作用效能， 改變了單純材料的使用方法，制備成相應(yīng)應(yīng)用材料后用途大大提升。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 本碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料包括碳基載體，所述的碳基載體 載入磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須中的任意一種或兩者的組合。碳基載體包括活性 炭。本發(fā)明中的碳基載體通常采用活性炭，當(dāng)然還可以在活性炭中摻入普通炭?；钚蕴堪?括纖維狀活性炭、柱狀活性炭、蜂窩狀活性炭、球狀活性炭、顆?；钚蕴?、粉狀活性炭、網(wǎng)狀 活性炭、活性炭原炭、由活性炭粉末經(jīng)粘合劑粘結(jié)而成的活性炭幾何體中的任意一種或多 種的組合。
[0023] 磷酸二氧化鈦的載入量占催化凈化材料總重量的0. 1?40% ;四針狀氧化鋅晶須 的載入量占催化凈化材料總重量的〇. 1?40% ;余量為碳基載體。優(yōu)化的磷酸二氧化鈦的 載入量占催化凈化材料總重量的33. 3% ;四針狀氧化鋅晶須的載入量占催化凈化材料總重 量的33. 3%。磷酸二氧化鈦或四針狀氧化鋅晶須以物理吸附、離子鍵、共價(jià)鍵、物理或化學(xué) 涂覆拌合方式載入碳基載體。
[0024] 本實(shí)施例中，先用稀硝酸洗滌活性炭顆?；蚍勰?，再用清水洗滌，使活性炭顆?；?粉末中需要載入磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須中的任意一種或兩者的組合的活性炭 微孔內(nèi)壁雜質(zhì)元素除去，以便磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須中的任意一種或兩者的組 合順利進(jìn)入活性炭顆?；蚍勰┑幕钚蕴课⒖變?nèi)壁上。
[0025] 基于碳基商效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制成的纖維?；谔蓟绦?附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制成的蜂窩載體?；谔蓟咝讲⒎纸庥泻ξ镔|(zhì)的 催化凈化材料制成的幾何體。基于碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料粘合或載 入的紡織品?；谔蓟咝讲⒎纸庥泻ξ镔|(zhì)的催化凈化材料制成的空氣凈化包，其特 征在于，包括透氣包裝，所述的透氣包裝內(nèi)裝有碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化 材料。
[0026] 本發(fā)明中的活性炭包括纖維狀、顆粒狀、球狀、粉末狀、柱狀、蜂窩狀、網(wǎng)狀、塊狀、 片狀、由活性炭粉末經(jīng)粘合劑粘結(jié)而成的活性炭幾何體等各種形態(tài)的活性炭原料或制品。
【權(quán)利要求】
1. 一種碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料，其特征在于，本催化凈化材料 包括碳基載體，所述的碳基載體載入磷酸二氧化鈦和四針狀氧化鋅晶須中的任意一種或兩 者的組合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料，其特征在 于，所述的碳基載體包括活性炭。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料，其特征在 于，所述的活性炭包括纖維狀活性炭、柱狀活性炭、蜂窩狀活性炭、球狀活性炭、顆?；钚?炭、粉狀活性炭、網(wǎng)狀活性炭、活性炭原炭、由活性炭粉末經(jīng)粘合劑粘結(jié)而成的活性炭幾何 體中的任意一種或多種的組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料，其 特征在于，所述的磷酸二氧化鈦的載入量占催化凈化材料總重量的0. 1?40% ;所述的四 針狀氧化鋅晶須的載入量占催化凈化材料總重量的〇. 1?40% ;余量為碳基載體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料，其 特征在于，所述的磷酸二氧化鈦或四針狀氧化鋅晶須以物理吸附、離子鍵、共價(jià)鍵、物理或 化學(xué)涂覆拌合方式載入碳基載體。
6. 根據(jù)權(quán)利1-5中任意一項(xiàng)所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制 成的纖維。
7. 根據(jù)權(quán)利1-5中任意一項(xiàng)所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制 成的蜂窩載體。
8. 根據(jù)權(quán)利1-5中任意一項(xiàng)所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制 成的幾何體。
9. 根據(jù)權(quán)利1-5中任意一項(xiàng)所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料粘 合或載入的紡織品。
10. 根據(jù)權(quán)利1-5中任意一項(xiàng)所述的碳基高效吸附并分解有害物質(zhì)的催化凈化材料制 成的空氣凈化包，其特征在于，包括透氣包裝，所述的透氣包裝內(nèi)裝有碳基高效吸附并分解 有害物質(zhì)的催化凈化材料。
【文檔編號(hào)】B01D53/86GK104117371SQ201410351808
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】姚將安 申請(qǐng)人:姚將安