本發(fā)明屬于化學(xué)和環(huán)境新材料領(lǐng)域，具體涉及一種改性活性炭及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：空氣污染、水體污染等不僅對人們的身體健康造成了巨大的威脅，而且嚴(yán)重干擾了設(shè)備的正常運行，這引起了人們對高性能過濾器的迫切需要?，F(xiàn)有的纖維過濾材料具有生產(chǎn)工藝短、過濾性能優(yōu)、經(jīng)濟效益好等特點，在空氣過濾領(lǐng)域處于主流地位。但是，由于傳統(tǒng)纖維濾材（熔噴纖維、玻璃纖維和紡粘纖維）的直徑偏粗，導(dǎo)致其性能存在許多缺陷，例如，過濾效率相對較低、阻力壓降相對較高、過濾精度偏低、采用深層過濾方式等。盡管通過增加材料克重或駐極處理可在一定程度上提高傳統(tǒng)纖維濾材的過濾效率，然而會造成原材料的大量消耗或產(chǎn)品的安全隱患。氣凝膠，又稱為干凝膠。當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，即成氣凝膠。氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度很小的固體之一。其制作簡便，其形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)，且性能優(yōu)越，高彈性、強吸附，應(yīng)用前景廣闊。納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應(yīng)用前景?；钚蕴渴俏覀冏畛Ｓ玫奈絼┖蛢艋牧希ㄟ^堿處理或者酸處理等手段改變活性炭的性質(zhì)，增加表面官能團，使其具有一定的催化特性，稱為活性炭的改性。本發(fā)明通過一系列方法對原有活性炭進行高度氧化，形成具有氣凝膠結(jié)構(gòu)的改性活性炭，可用于空氣凈化過濾，水體凈化過濾等需要高效有機物吸附過濾材料的設(shè)備和場所。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明解決的問題為：提供一種用于空氣凈化和水體凈化的具備極高效吸附能力的高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭及其制備方法和應(yīng)用。為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：一種高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭，其特征在于，包括主量元素和微量元素；所述的主量元素包括碳、錳、鉀、氧；所述的微量元素包括硫、氮；所述的碳、錳、鉀、氧、硫、氮各元素原子個數(shù)比為100：0.08～0.1：0.58：1.8：0.03：0.01。一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭的制備方法，步驟如下：（1）對活性炭進行預(yù)處理：使用振蕩器對活性炭進行預(yù)處理；（2）使用強氧化劑對活性炭進行氧化處理；（3）使用高錳酸鉀進行次氧化，進一步增強氧化程度，并在活性炭表面原位還原生成氧化錳納米顆粒；（4）將上述產(chǎn)物離心清洗，再低溫冷凍干燥，獲得表面具有微米級氣凝膠覆蓋的高度氧化活性炭。進一步，步驟（1）中使用2.5千瓦的超聲震蕩頭，對活性炭進行震蕩預(yù)處理。震蕩頻率和時間為工作5min，停止工作15min，重復(fù)以上步驟六次，得到超聲預(yù)處理活性炭，超聲同時使用冰浴降溫。進一步，所述的步驟（2）中所述強氧化劑包括高錳酸鉀、濃硫酸和濃硝酸，進行氧化處理時間為24小時，期間每隔4小時使用電動攪拌器攪拌五分鐘，轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分鐘。進一步，所述的步驟（2）中的高錳酸鉀、濃硫酸、濃硝酸、活性炭、水的質(zhì)量比為4.5：50：25：100：50；所述的高錳酸鉀純度為99.6%，濃硫酸純度為98%，濃硝酸純度為65%。進一步，所述的步驟（3）中，次氧化過程中加入高錳酸鉀進行氧化，使用純水作為溶劑，控制步驟（2）中產(chǎn)物、高錳酸鉀、純水的質(zhì)量比為1:1:0.2的比例混合，使用電動攪拌器對反應(yīng)物進行攪拌，反應(yīng)時間為12小時。進一步，所述的在步驟（4）中，次氧化所得產(chǎn)物使用離心清洗的方法進行清洗，將經(jīng)過次氧化的產(chǎn)品加入等質(zhì)量的純水?dāng)嚢杈鶆?，使用離心機6000rpm轉(zhuǎn)速離心5分鐘，取出樣品，去除上層清液，完成一次離心清洗，本清洗過程重復(fù)五次，充分清洗反應(yīng)產(chǎn)物中的硫酸鉀和硝酸鉀。進一步，所述的步驟（4）中，使用攪拌器將離心清洗后的產(chǎn)物分散到純水中，產(chǎn)物與水的質(zhì)量比為1:0.6，將產(chǎn)物置于-20℃冰箱冷凍處理3小時，之后置于冷凍干燥機中凍干，真空度小于10Pa，處理48小時，得到最終產(chǎn)物。高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭的應(yīng)用，應(yīng)用于空氣和水體凈化中的過濾濾芯。進一步，應(yīng)用于吸附過濾空氣和水體中的固體顆粒污染物和各類揮發(fā)性有機污染物。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明對活性炭進行氧化處理，增加了活性炭表面親水基團的數(shù)目和分布，極大地增強了對水分子的吸附能力，吸水能力相比于一般活性炭極為出眾；本發(fā)明的氧化處理使得活性炭表層的羥基和羧基增加，從而表面帶等的吸附；本發(fā)明的超聲震蕩和氧化處理，使得活性炭表層出現(xiàn)剝離和較多的裂隙，增加了活性炭吸附的比表面積，增強吸附性能；本發(fā)明的冷凍干燥過程使得活性炭結(jié)構(gòu)中摻雜了多褶皺多孔的氣凝膠結(jié)構(gòu)，進一步增大了比表面積；原位還原生成的氧化錳可以作為催化劑對于揮發(fā)性有機污染物和異味氣體進行催化，使得該類分子分解。本發(fā)明的改性活性炭因為表面氣凝膠結(jié)構(gòu)的存在和片層剝離結(jié)構(gòu)的存在，更多裂隙和孔隙的存在，對于各類分子的吸附載量遠超過一般活性炭。2.本發(fā)明常溫下可快速吸附空氣中或者水體中固體顆粒物，揮發(fā)性有機污染物，帶電顆粒物和細菌，真菌，表面氣凝膠結(jié)構(gòu)的存在極大增強了活性炭與氣體或者水體接觸的表面積，也增加了增加表面的粗糙度和褶皺，對于固體顆粒的吸附進一步增強；活性炭表面親水基團的增多極大增強了對水分子的吸附能力，使得本發(fā)明的活性炭具備極強的吸水能力，也可用于需要安全性干燥劑的場合；活性炭表面原位還原形成的氧化錳顆粒對于各類揮發(fā)性有機污染物和異味分子具有極強的催化作用，能夠催化分解各類有機物分子和異味分子。附圖說明圖1是高強超聲震蕩處理過的活性炭顆粒分布示意圖。圖2是氧化處理后的活性炭表面結(jié)構(gòu)形貌圖。圖3是為冷凍干燥后的活性炭表面結(jié)構(gòu)形貌圖。圖4是高度氧化活性炭上原位還原的氧化錳顆粒分布結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明的改性活性炭與一般活性炭吸附甲醛的吸附對比曲線圖。圖6是本發(fā)明的改性活性炭與一般活性炭吸附甲苯的吸附對比曲線圖。圖7是本發(fā)明的改性活性炭與一般活性炭吸水的速率曲線對比圖。圖8是為本發(fā)明的改性活性炭與一般活性炭對于甲醛、甲苯、硫化氫三種氣體吸附載量的對比曲線圖。圖9是吸附了甲醛之后本發(fā)明的改性活性炭內(nèi)部以及測試倉內(nèi)部的甲醛濃度曲線圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本
發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明。一種高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭的制備方法，包括如下步驟：（1）對活性炭進行預(yù)處理：采用12目的煤質(zhì)活性炭，使用超高功率超聲振蕩器對活性炭進行預(yù)處理，使用2.5千瓦的超聲震蕩頭，型號為Biosafer1800-99，使用超聲頻率為25KHz，對活性炭進行震蕩預(yù)處理。將500g活性炭和2000mL冰水加入圓筒容器中，超聲頭置于容器正中央，震蕩頻次和時間為工作5min，停止工作15min，重復(fù)以上步驟六次，得到超聲預(yù)處理活性炭，超聲同時使用冰浴降溫，超聲結(jié)束后取出活性炭并置于烘箱60℃干燥四小時。該步驟能夠使得活性炭表層部分剝離，進而產(chǎn)生斷層和裂隙，暴露出更多的孔隙，增加表面粗糙度，增大與氣體或者液體的接觸面積，使得氣體和液體與改性活性炭的表面充分接觸；（2）使用強氧化劑對活性炭進行氧化處理，使用高錳酸鉀，濃硫酸，濃硝酸對于預(yù)處理過的活性炭進行氧化處理，將濃硫酸，濃硝酸，上一步處理過的活性炭和水混合加入反應(yīng)燒杯中攪拌均勻進行氧化處理，其中濃硫酸，濃硝酸，活性炭和水的體積或質(zhì)量分別為250mL，125mL，500g和250mL；再每隔一小時加入5g高錳酸鉀，加入四次一共20g，之后室溫放置24小時，期間每個4小時使用電動攪拌器進行攪拌五分鐘，轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分鐘，該步驟能夠進一步剝離活性炭片層和擴大間隙，同時使得活性炭表面產(chǎn)生羥基，羧基等親水基團；（3）使用高錳酸鉀進行次氧化，將前述步驟中氧化處理的產(chǎn)物過濾，離心清洗三次，之后再次與高錳酸鉀和純水混合進行次氧化，步驟（2）的產(chǎn)物、高錳酸鉀、水的質(zhì)量比為1:1:0.2，使用電動攪拌器對反應(yīng)物進行攪拌，反應(yīng)時間為12小時；（4）將上述產(chǎn)物離心清洗，再低溫冷凍干燥，獲得表面具有微米級氣凝膠覆蓋的高度氧化活性炭。將上述次氧化所得產(chǎn)物使用離心清洗的方法進行清洗，將經(jīng)過次氧化的產(chǎn)品加入等質(zhì)量的純水?dāng)嚢杈鶆?，使用離心機6000rpm轉(zhuǎn)速離心5分鐘，取出樣品，去除上層清液，完成一次離心清洗，本清洗過程重復(fù)五次，充分清洗反應(yīng)產(chǎn)物中的硫酸鉀和硝酸鉀；使用攪拌器將離心清洗產(chǎn)物分散到純水中，產(chǎn)物與水的質(zhì)量比為1:0.6，將產(chǎn)物置于-20℃冰箱冷凍處理3小時，之后置于冷凍干燥機中凍干，真空度小于10Pa，處理48小時，得到最終產(chǎn)物。本發(fā)明中的是高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭，對應(yīng)制備過程中超聲處理，氧化處理，次氧化處理，凍干處理各步驟進行電鏡掃描。如圖1所示，經(jīng)過超聲震蕩處理的活性炭，其表面出現(xiàn)部分的片層玻璃，顆粒也被震碎，粒徑分布相對較小；如圖2所示，經(jīng)過氧化處理的活性炭，表面出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，同時孔隙分布增多，孔隙直徑約為300-500nm；如圖3所示，經(jīng)過原位還原高錳酸鉀，在活性炭表層形成氧化錳納米顆粒的分布，納米顆粒大小約為30-60nm；如圖4所示，最終高度氧化的活性炭經(jīng)過凍干之后，其中存在多褶皺，多孔隙的氣凝膠結(jié)構(gòu)，氣凝膠由氧化程度較高的活性炭片層凍干形成；如表1所示，對最終樣品進行電鏡元素分析，其中元素種類包括碳，錳，鉀，硫，氧，氮等元素，其中碳，錳，鉀，硫，氧，氮各元素原子個數(shù)比為100：0.08-0.1：0.58：0.03：1.8：0.01。表1樣品成分的元素組成元素重量（百分比）原子（個數(shù)比）C95.47100Mn0.35~0.440.08-0.1K1.800.58S0.080.03O2.291.8N0.010.01總量100.00下面對本發(fā)明的改性活性炭對空氣中的揮發(fā)性氣體的吸附速率、干燥速率、吸附量、分解能力進行具體實施如下：實施例1本發(fā)明對空氣中的揮發(fā)性氣體的吸附速率進行測試國標(biāo)倉甲醛和甲苯吸附測試，首先在測試倉內(nèi)放置1臺格林新風(fēng)CA-700空氣凈化器，使用高度氧化氣凝膠改性活性炭和一般活性炭作為濾芯，將兩種活性炭顆粒使用Hepa膜封閉在蜂窩板內(nèi)，使用熱熔膠封口，制備成為濾芯。實驗組為使用實施例1中的高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭材料的濾芯，對照組為使用一般活性炭材料的濾芯。本發(fā)明的所有測試均在常溫常壓（25攝氏度，1大氣壓）下，在30立方米測試艙內(nèi)進行，初始甲醛濃度在0.07-0.15毫克/立方米之間。測試所用空氣凈化器為新風(fēng)空氣凈化器機型，工作時為最高風(fēng)速檔。甲醛濃度的測量采用PPM-400ST甲醛測量儀。圖5所示，高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭與一般活性炭吸附甲醛的吸附曲線對比，改性活性炭甲醛吸附速率相比于一般活性炭提升了3-5倍，對照組和實驗組分別測量十次，取均值表示每個時間點吸附百分比。圖6所示，高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭與一般活性炭吸附甲苯的吸附曲線對比，改性活性炭甲苯吸附速率相比于一般活性炭提升了6-8倍，對照組和實驗組分別測量十次，取均值表示每個時間點吸附百分比。實施例2本發(fā)明的干燥速率進行測試高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭與一般活性炭吸水的速率曲線對比，使用3立方米封閉測試倉，在測試艙中通入水蒸氣至濕度為80，分別使用等質(zhì)量的兩種活性炭吸附其中的水蒸氣，使用濕度儀測試其中濕度下降曲線，用于對比，實驗組使用高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭，對照組使用等質(zhì)量的一般活性炭，活性炭樣品以等高度平鋪于測試艙中。如圖7所示，使用高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭，測試艙中濕度下降速率為一般活性炭的6倍以上，說明本發(fā)明中的改性活性炭對于水分子的吸收速率遠超過一般活性炭。實施例3本發(fā)明對揮發(fā)性氣體的吸附量進行測試高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭與一般活性炭對于甲醛，甲苯，硫化氫三種氣體吸附載量的對比，使用國標(biāo)倉進行測試，初始狀態(tài)分別使得國標(biāo)倉中甲醛，甲苯，硫化氫三種氣體的濃度達到遠超過活性炭最大吸附載量濃度，使用格林新風(fēng)CA-700空氣凈化器和兩種活性炭制備的濾芯進行試驗，在實驗過程中保持凈化器工作足夠長的時間，測得測試艙中初始氣體濃度和最終氣體濃度，以初始濃度和最終濃度差值作為活性炭吸附載量相對值，以一般活性炭吸附載量為1進行歸一化處理。實驗組使用高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭，對照組使用等質(zhì)量的一般活性炭，對照組和實驗組分別測量十次，取均值作對比。如圖8所示，實驗組對甲醛，甲苯，硫化氫三種氣體的吸附載量分別是對照組的4.2被，6.4倍和5.5倍，由此可見高度氧化的氧化錳復(fù)合的氣凝膠改性活性炭對于氣體分子的吸附載量遠超過一般活性炭。實施例4本發(fā)明對揮發(fā)性污染氣體的分解能力測試吸附了甲醛之后的高度氧化氣凝膠改性活性炭內(nèi)部甲醛濃度下降曲線測試，使用探頭型甲醛檢測器檢測在吸附了甲醛的改性活性炭內(nèi)部記錄濃度，得到甲醛氣體分子的分解消除曲線，改性活性炭預(yù)先吸附一定量的甲醛分子，該測試在3立方米測試倉內(nèi)進行。如圖9所示，在常溫下吸附了甲醛的高度氧化氣凝膠改性活性炭內(nèi)部甲醛濃度逐漸降低，4小時內(nèi)甲醛濃度從200ppm下降到60ppm，同時測試倉內(nèi)空氣中甲醛濃度并未上升。由此可見被改性活性炭吸附的甲醛會被氧化錳催化分解，甲醛分子也不會再次釋放，不會對空氣形成二次污染。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明作舉例說明。本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3