有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，是將催化材料涂覆在由下述重量百分比的組份制成的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板上：竹炭粉20～40％，多孔非金屬礦物粉體40～60％，粘土10～30％以及粘結(jié)劑2～5％。其制備方法包括：包括：將催化材料加入到硅溶膠水分散液中，攪拌形成懸浮液，再將微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板放入懸浮液內(nèi)浸漬，取出干燥。本發(fā)明將催化材料的光催化功能與微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的極好的吸附功能結(jié)合為一體，提高了催化材料的光催化效果，而且制備方法簡單，應用方便。
【專利說明】有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新型陶器材料，具體是新型生態(tài)環(huán)境功能陶器材料，更具體涉及有催 化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 竹炭具有豐富的蜂窩狀微孔結(jié)構(gòu)，這種微孔結(jié)構(gòu)使竹炭具有龐大的比表面積，具 有優(yōu)異的吸附功能，還有電磁屏蔽、輻射遠紅外線、產(chǎn)生負離子、增加水質(zhì)堿性等特殊功效， 可用于吸潮、除臭、消毒、殺菌、蓄熱、調(diào)濕，改善居住環(huán)境。當環(huán)境濕度很大時，竹炭利用其 吸濕作用吸附室內(nèi)空氣中的水分；反之，當環(huán)境濕度很小時，竹炭利用其解吸作用放出水 分，以達到調(diào)節(jié)空氣濕度的效能。竹炭能吸附水中多種有害物質(zhì)，對污水中的色度和濁度以 及化學耗氧量（COD)去除效果明顯，對污水中總氮的去除率接近100%，對污水中有機磷農(nóng) 藥的去除有一定效果，可以明顯地改善水體中的重要水質(zhì)指標。
[0003] 微晶竹炭是比普通竹炭更加性能優(yōu)越的新型材料，竹炭經(jīng)過隔氧高溫燒制，完全 變成類石墨化微晶結(jié)構(gòu)，微孔數(shù)量大大增加，比表面積增大，吸附功能遠遠超過普通竹炭。
[0004] 微晶竹炭陶器是一種具有孔隙率高、吸附性能好、堆積密度低、燒成收縮率低、強 度高、釋放負離子及輻射遠紅外線功能的復合陶器，它既有一定的機械強度又有一定的氣 孔率，既不會滲漏又有良好的透氣性，廣泛應用于需要吸附、過濾等場合。
[0005] 催化材料包括貴金屬催化劑、納米催化材料、光催化材料和稀土催化材料，它們都 是能改變化學反應速度而本身又不參與反應最終產(chǎn)物的材料，用量少，效果好。
[0006] 貴金屬用作催化劑，基于它們的d電子軌道都未填滿，表面易吸附反應物，且強度 適中，利于形成中間"活性化合物"，具有較高的催化活性，同時還具有耐高溫、抗氧化、耐腐 蝕等綜合優(yōu)良特性。常用的是鉬、鈀、銠、銀、釕等，其中尤以鉬、銠應用最廣。
[0007] 光催化材料是指通過該材料、在光的作用下發(fā)生的光化學反應所需的催化劑，世 界上能作為光催化材料的有很多，包括二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯、硫化鎘等多種 氧化物硫化物半導體。近年來，通過光催化材料降解污染物是一種節(jié)能、高效的綠色環(huán)保新 技術(shù)。它在廢水處理、空氣凈化和飲用水的除臭，殺菌防霉等方面都有重要作用。雖然它也 面臨催化效率不高，催化劑產(chǎn)量不高等局限性，但作為一種零二次污染，能源消耗為零，無 需監(jiān)控自發(fā)進行的處理環(huán)境污染方式具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌隼脙r值。
[0008] 納米催化材料由于納米粒子尺寸小、表面的體積分數(shù)較大、表面的化學鍵狀態(tài)和 電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導致表面的活性位置增加，化學反應活性高。 同時納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電 荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。納米微粒作為催化劑應用較多的 是半導體光催化材料，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體微粒，可近 似看為一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納 米粒子吸收光產(chǎn)生電子-空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的 不同位置，與溶液中相似組分進行氧化和還原反應。
[0009] 研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素由于其獨特的4f電子層結(jié)構(gòu)，使其在化學反應過程中表現(xiàn)出 良好的助催化性能與功效。因此，將稀土用作催化材料是一條很好的稀土資源綜合利用出 路。與傳統(tǒng)的貴金屬催化劑相比，稀土催化材料在資源豐度、成本、制備工藝、以及性能等方 面都具有較強的優(yōu)勢。稀土催化材料由于其良好的催化性能，獨特的低溫活性，優(yōu)越的抗中 毒能力，具有價格便宜、原料易得、耐高溫性能好等優(yōu)勢，在有機廢氣治理方面已顯示出越 來越優(yōu)越的開發(fā)應用前景。
[0010] 將微晶竹炭陶器與催化材料結(jié)合形成復合催化體，實現(xiàn)二者優(yōu)勢互補空氣過濾板 及其制備方法，目前未見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，實現(xiàn)微晶 竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板與催化材料的結(jié)合，達到優(yōu)勢互補。
[0012] 本發(fā)明的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于：將催化材料 涂覆在由下述重量百分比的組份制成的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板上：竹炭粉20? 40 %，多孔非金屬礦物粉體40?60 %，粘土 10?30 %以及粘結(jié)劑2?5 %。
[0013] 進一步，所述微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的蜂窩孔密度為300?600孔/in2。這 里的孔密度相對于蜂窩孔徑為50-25 μ m。
[0014] 進一步，所述微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板由下述方法制備而成：磨粉、混合、調(diào) 漿、造粒、壓模、干燥以及隔氧燒結(jié)；
[0015] 其中：干燥時先自然風干24小時，再在溫度80?120°C時干燥4小時以上；隔氧 燒結(jié)的溫度大于1200°C，隔氧燒結(jié)時間為20?60分鐘。
[0016] 進一步，所述微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板蜂窩孔壁含有孔徑為Inm?50 μ m的 不規(guī)則微孔。這里的含有孔徑為Inm?50 μ m的微孔是指微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板蜂 窩孔壁存在著孔徑為Inm?50 μ m的微孔，既有小到Inm的小微孔，也有大到50 μ m的大微 孔，還有位于這個范圍內(nèi)的各種尺寸的中等微孔，在產(chǎn)品形成了豐富的大孔、中孔、微孔體 系，可以吸附不同大小的分子，有利于在不同環(huán)境下廣泛使用。另外，大微孔還便于容納催 化材料。
[0017] 本發(fā)明中，所述的催化材料選自：貴金屬、納米催化材料、光催化材料和/或稀土 催化材料，以及復合類催化材料。
[0018] 作為優(yōu)選，貴金屬選用鉬、鈀、銠、銀或釕；納米催化材料選用納米二氧化鈦、納米 氧化鋅，納米銀或納米二氧化鈰；光催化材料選用二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯或硫 化鎘；稀土催化材料選用氧化釹、氧化釷或氧化鈰；復合類催化材料選自：Pt/Al 203、Pd/C、 八區(qū)/^1203、1?11/3;[0 2、？1：-?(1/^1203、？1：-1?11/^120 3、納米1102/娃藻土、納米1102/蒙脫土、石墨烯 /ZnO、復合硫氧化物、復合硒氧化物、層狀ZnO/RGO復合材料、石墨烯/110 2納米復合材料、 納米TiO2/稀土復合催化材料、鈣鈦礦型稀土復合氧化物催化劑或摻雜微量貴金屬的稀土 鈣鈦礦型催化劑。
[0019] 其中RGO為氧化石墨被還原后所得的一種類石墨物質(zhì)。
[0020] 本發(fā)明的另一個目的是提供上述有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的 制備方法。
[0021] 該制備方法，包括：將催化材料加入到硅溶膠水分散液中，攪拌或超聲形成懸浮 液，再將微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板放入懸浮液內(nèi)浸漬，取出干燥。
[0022] -般地，浸漬2?5次，每次3?10s。
[0023] 干燥方式選自：烘干或焙燒。
[0024] 干燥溫度不超過600°C。
[0025] 本發(fā)明所述的多孔非金屬礦物粉體選自沸石、凹凸棒石、海泡石、硅藻土、多孔凝 灰?guī)r、輕質(zhì)蛋白石、多孔硅質(zhì)巖、浮石、火山渣中的一種或兩種以上的粉體，且孔徑為微米孔 類者。
[0026] 多孔非金屬礦是指那些在天然狀態(tài)下產(chǎn)生的，具有豐富的結(jié)構(gòu)性孔道或空隙，以 及低的密度和堆密度為特征的非金屬礦。多孔礦物材料由于獨特的晶體結(jié)構(gòu)而具有比表面 積大、孔隙率高、吸附性能和離子交換能力強的特點，可以用作抗菌劑、水處理絮凝劑、凈化 齊U、食料添加劑、脫色劑以及有毒氣體、放射性廢物的吸附劑，在環(huán)境治理等方面有廣闊的 應用前景。孔徑為微米孔類者即孔徑范圍在〇. 1?100 μ m的多孔非金屬礦，這一類的孔徑 非常適合于通用的微孔陶器材料，本發(fā)明作為優(yōu)選，選擇的正是這一種。更小的納米孔類很 多情況下發(fā)揮不了作用只適宜于特別的產(chǎn)品如催化劑，而更大的毫米孔類由于孔徑太大， 比表面積不夠，吸附能力也小。
[0027] 本發(fā)明所述的粘土選自凹凸棒土、高嶺土、膨潤土、普通粘土種類中的一種或兩種 以上。優(yōu)選商嶺土。
[0028] 粘土（英語：clay)，又作黏土，是顆粒非常小的（<2μπι)可塑的硅鋁酸鹽。除了 鋁外，黏土還包含少量鎂、鐵、鈉、鉀和鈣，是一種重要的礦物原料。由多種水合硅酸鹽和一 定量的氧化鋁、堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物組成，并含有石英、長石、云母及硫酸鹽、硫 化物、碳酸鹽等雜質(zhì)。黏土礦物的顆粒細小，常在膠體尺寸范圍內(nèi)，呈晶體或非晶體，大多數(shù) 是片狀，少數(shù)為管狀、棒狀。黏土礦物用水濕潤后具有可塑性，在較小壓力下可以變形并能 長久保持原狀，而且比表面積大，顆粒上帶有負電性，因此有很好的物理吸附性和表面化學 活性，具有與其他陽離子交換的能力。
[0029] 本發(fā)明所述的粘結(jié)劑選自淀粉、糊精、阿拉伯樹膠和聚乙烯醇。
[0030] 本發(fā)明將竹炭、多孔非金屬礦物和粘土混合，添加輔助材料經(jīng)過煅燒制成微晶竹 炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板。細膩的可塑性良好的粘土將竹炭微粒、多孔非金屬礦物粉體包裹 并粘結(jié)在一起，經(jīng)過高溫隔氧煅燒后，竹炭微晶化，形成大量的微孔，以1?50nm的孔為主， 也有少量50?IOOnm和IOOnm?1 μ m的孔。多孔非金屬礦物主要為產(chǎn)品提供0· 1?100 μ m 的孔。還有細粉顆粒之間的架空孔，它們的尺寸與顆粒直徑差不多大小。這樣在產(chǎn)品形成 了豐富的大孔、中孔、微孔體系，可以吸附不同大小的分子，更利用粘土顆粒上帶有負電性， 因此還具有與其他陽離子交換的能力。
[0031] 燒制后的微晶竹炭和多孔非金屬礦物，具有遠紅外輻射功能。所得產(chǎn)品經(jīng)測試在 遠紅外波長4?14 μ m的法向全福射發(fā)射率彡88%。
[0032] 微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板產(chǎn)品具有燒成收縮率低、抗折強度大、較高的法向 遠紅外線發(fā)射率，對甲醛、苯酚、二氧化硫、TVOCs以及其他有害物質(zhì)的吸附率強。
[0033] 本發(fā)明將催化材料涂覆在微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板上，使得粉末狀的催化材 料具有了堅強的支撐體，而且便于回收和再生利用。由于本發(fā)明的有催化功能的微晶竹炭 蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板結(jié)構(gòu)強度大，又耐高溫，因而長時間使用后可以通過焙燒的方式進行 再生，主要是燒毀表面沉積物和微孔中的堵塞物，恢復吸附能力和催化效果。
[0034] 催化材料覆蓋在微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板蜂窩孔內(nèi)，也有一部分進入到蜂窩 孔壁不規(guī)則的微孔中（如納米TiO 2/硅藻土復合光催化材料粉體中位粒徑為7. 8 μ m，而蜂 窩孔孔徑為25?50 μ m，不規(guī)則的微孔孔徑為Inm?50 μ m)，因此微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣 過濾板可以負載大量的催化材料。此外，微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的總表面積和總吸 附量遠遠大于一般的載體，因而本發(fā)明的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的除 害效果更好。
[0035] 竹炭經(jīng)過隔氧高溫燒制，完全變成類石墨化微晶結(jié)構(gòu)。這樣的類石墨物質(zhì)可以摻 雜到催化材料中，對催化性能大大改善。如對納米TiO 2，由于二氧化鈦的帶隙決定了其難以 在可見光條件下實現(xiàn)光催化，摻雜的納米TiO2可以解決這一問題，進一步提高催化效率，實 現(xiàn)可見光催化。
[0036] 硅溶膠粒子本身無色透明，不影響被覆蓋物的本色，而且屬于無機膠黏劑，耐高溫 (1500-1600°C ),不會受氧化和光照而變色。
[0037] 硅溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒，硅溶膠為納米級的二氧化硅顆粒在水中或溶劑中 的分散液。由于硅溶膠中的SiO 2含有大量的水及羥基，故硅溶膠也可以表述為SiO2. ηΗ20。 膠體粒子微細（l〇_2〇nm)，有相當大的比表面積，粘度較低，水能滲透的地方都能滲透，因此 和催化材料混合時分散性和滲透性都非常好，混合均勻性好，而且還可以將催化材料順利 帶入微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的蜂窩孔內(nèi)和較大的不規(guī)則微孔內(nèi)，以及使得催化材料 在微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的蜂窩孔壁表面延展均布。
[0038] 硅溶膠干燥方便，只需蒸發(fā)水分即可。當硅溶膠水份蒸發(fā)時，膠體粒子牢固地附著 在物體表面，粒子間形成硅氧結(jié)合。當需要加快干燥時，也可以采取高溫焙燒。
[0039] 無機、無臭、無毒，耐高溫，不受氧化和光照影響，這是任何有機粘結(jié)劑不可比擬 的。這些特點使得本發(fā)明的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板產(chǎn)生了顯著的技術(shù) 進步。
[0040] 本發(fā)明的方案將催化材料與微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板結(jié)合，形成由微晶竹 炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板擔載催化材料的復合型催化體，具有物理吸附和催化氧化兩種功 能，它首先利用多孔性微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板在空氣流過時及時吸附捕捉有害物質(zhì) (如甲醛等），然后利用催化材料在各種條件下（如光照、），將吸附捕捉的有害物質(zhì)分子分 解。
[0041] 本發(fā)明的制備方法工藝簡單，條件很寬松，沒有使用任何有機溶劑，安全性高，也 不產(chǎn)生環(huán)境污染，成本低，干燥也很容易，溫度控制不嚴格，可以低溫真空，也可以高溫焙 燒。

【具體實施方式】
[0042] 實施例1
[0043] 微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的制備
[0044] 所用的竹炭粉、多孔非金屬礦物粉體以及粘土的平均粒徑均為1?10 μ m。多孔非 金屬礦物采用沸石，粘土采用凹凸棒土。按照竹炭35%，多孔礦物45%，粘土 18%以及粘 結(jié)劑2%的比例混合配料。制備微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的工藝流程為：加水、糊精練 泥、陳腐后，將泥料加入到專用的蜂窩陶瓷載體擠壓成形模具中擠壓成型，自然風干24小 時，再放入恒溫干燥箱中，溫度調(diào)到90°C干燥4小時以上；隨后放入燒結(jié)爐中無氧燒結(jié)，燒 結(jié)溫度1250°C，保持30分鐘，自然冷卻得到微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板。性能指標見表 1〇
[0045]表 1

【權(quán)利要求】
1. 有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于：將催化材料涂覆在由下 述重量百分比的組份制成的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板上：竹炭粉20?40%，多孔非金 屬礦物粉體40?60 %，粘土 10?30 %以及粘結(jié)劑2?5 %。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于： 所述微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的蜂窩孔密度為300?600孔/in2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于： 所述微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板由下述方法制備而成：磨粉、混合、調(diào)漿、造粒、壓模、干 燥以及隔氧燒結(jié)； 其中：干燥時先自然風干24小時，再在溫度80?120°C時干燥4小時以上；隔氧燒結(jié) 的溫度1200?1300°C，隔氧燒結(jié)時間為20?60分鐘。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于： 微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板蜂窩孔壁含有孔徑為lnm?50 y m的不規(guī)則微孔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于： 催化材料選自：貴金屬、納米催化材料、光催化材料和/或稀土催化材料，以及復合類催化 材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板，其特征在于： 貴金屬選用鉬、鈕、銘、銀或釕； 納米催化材料選用納米二氧化鈦、納米氧化鋅，納米銀或納米二氧化鈰； 光催化材料選用二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯或硫化鎘； 稀土催化材料選用氧化釹、氧化釷或氧化鈰； 復合類催化材料選自：Pt/Al203、Pd/C、Ag/Al20 3、Rh/Si02、Pt-Pd/Al203、Pt-Rh/Al 203、納 米Ti02/硅藻土、納米Ti02/蒙脫土、石墨烯/ZnO、復合硫氧化物、復合硒氧化物、層狀ZnO/ RG0復合材料、石墨烯/Ti02納米復合材料、納米Ti02與稀土催化材料、鈣鈦礦型稀土復合 氧化物催化劑或摻雜微量貴金屬的稀土鈣鈦礦型催化劑。
7. 權(quán)利要求1?6任一項所述的有催化功能的微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板的制備方 法，其特征在于：包括：將催化材料加入到硅溶膠水分散液中，攪拌或超聲形成懸浮液，再 將微晶竹炭蜂窩陶質(zhì)空氣過濾板放入懸浮液內(nèi)浸漬，取出干燥。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于：浸漬2?5次，每次3?10s。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于：干燥方式選自：烘干或焙燒。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的制備方法，其特征在于：干燥溫度不超過600°C。
【文檔編號】B01J35/02GK104474791SQ201410624377
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】韋仲華, 韋宇洪, 韋冬芳 申請人:桂林新竹大自然生物材料有限公司