一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，以生蛭石粉為模板，在高溫加壓條件下制備納米級二氧化鈦復合材料，所得到的納米級二氧化鈦管包覆在蛭石層狀結(jié)構內(nèi)，具備良好的耐壓能力，PM2.5吸附能力強，裝配到特定的凈化裝置中以后，使用壽命長。
【專利說明】
一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及空氣凈化技術領域，具體來說，涉及一種可用于空氣凈化的蜂窩狀納 米材料的制備方法，適用于空氣中PM2.5粉塵、氮氧化物、醛類等氣體的凈化。
【背景技術】
[0002] 目前PM2.5主要的應對措施主要分為以下三種:一是過濾法，包括空調(diào)、加濕器、空 氣清新器等，優(yōu)點是明顯降低PM2.5的濃度，缺點是濾膜需要清洗或更換。二是水吸附法。超 聲霧化器、室內(nèi)水簾、水池、魚缸等，能夠吸收空氣中的親水PM2.5，缺點是增加濕度，憎水性 PM2.5不能有效去除。三是植物吸收法。植物葉片具有較大的表面積，能夠吸收有害氣體和 吸附PM2.5，優(yōu)點是能夠產(chǎn)生有利氣體，缺點是吸收效率低，有些植物會產(chǎn)生有害氣體。目前 國際上已有先進的方法是介質(zhì)吸附，例如HEPA濾網(wǎng)，這種手段在應用初期可以起到很高效 率的過濾作用，但隨著使用時間的增加，介質(zhì)的積塵量趨于飽和，會帶來二次污染及過濾效 果的大幅下降。
[0003] 中國發(fā)明專利CN103990344A公開了一種基于二氧化鈦流體的噴霧式PM2.5凈化裝 置，該裝置利用二氧化鈦流體對PM2.5進行吸附，優(yōu)點是效果好且長期使用后二氧化銻會變 黃，能夠有效提示人們對流體進行更換，但是其仍然存在積塵量降低，需要定時更換的缺 點。
[0004] 公開號為CN102777986A的中國專利文獻公開了一種室內(nèi)空氣凈化裝置，涉及空 氣凈化技術領域，所解決的是提高室內(nèi)空氣凈化效果的技術問題。該裝置包括箱體，及從 下至上依次安裝在箱體內(nèi)的風機、光觸媒模塊、離子發(fā)生器;所述箱體的下部設有進風口， 其頂部設有出風口；所述風機的排風口向上，吸氣口正對箱體下部的進風口；所述光觸媒 模塊有多個，從上至下布設，每個光觸媒模塊均設有多塊涂附有光觸媒涂層的玻璃基板，每 個光觸媒模塊中均設有紫外線發(fā)生器;所述箱體內(nèi)設有一位于兩個光觸媒模塊之間的空氣 加熱艙，空氣加熱艙內(nèi)設有遠紅外加熱器、溫度感應器;所述箱體下部的進風口上遮蓋有一 透氣活性炭濾板。該方案綜合運用了活性炭吸附除塵和紅外線殺菌等技術，對于同時除塵 和殺菌起到了一定的效果，但是該方案中依靠活性炭吸附的方法對于微小顆粒物的去除效 果不佳，而且依靠活性炭吸附的去除效率太低。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法， 提高凈化裝置的積塵量，延長材料的使用壽命，從而達到使用方便，同時降低成本的目的。
[0007] -種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，按照下述步驟進行： A、 將生蛭石研磨至粉末狀，過120目篩，取篩下物，得到生蛭石粉； B、 將生蛭石粉溶解在水中，進行超聲分散，50目濾網(wǎng)過濾，將濾液在80-KKTC條件下烘 干，得到生蛭石細粉； C、 將生蛭石細粉繼續(xù)研磨，過325目篩，取篩下物，得到生蛭石超細粉;加入正丁醇中， 超聲分散，加入十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水，攪拌得到生蛭石超細粉懸濁液，所述的生蛭石 超細粉、正丁醇、十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水的質(zhì)量比例為生蛭石超細粉:正丁醇：十二烷 基苯磺酸鈉:蒸餾水=lg: 800-1000g: 0 · 5-lg: 200-300g; D、 將正丁醇稀釋鈦酸四丁脂得到濃度為0.1-0.25mol/L的鈦前驅(qū)體溶液； E、 將懸濁液加入高溫加壓反應釜中，將溶液在10_20min內(nèi)從室溫加熱到150°C，并從常 壓升壓到5MPa，然后將足量的鈦前驅(qū)體溶液滴加到生蛭石超細粉懸濁液，攪拌8-10小時進 行縮合反應，反應時溫度逐漸從150°C升溫至350°C ; F、 將反應所得的溶液離心后用純乙醇分散洗滌，在真空中干燥，得到鈦源-膨脹蛭石混 合物，其中的離心機的轉(zhuǎn)速為4000-8000轉(zhuǎn)/分鐘； G、 將鈦源-膨脹蛭石混合物在350-950 °C條件下煅燒2-3小時，然后將煅燒后的產(chǎn)物冷 卻至室溫，得到二氧化鈦納米復合材料。
[0008] 中國發(fā)明專利CN103641165A公開了一種以天然礦物凹凸棒石為模板制備二氧化 鈦納米管的方法，凹凸棒石是一種具纖維紋理層鏈狀過渡結(jié)構的汗水富硅酸鹽為主的黏土 礦物，具有天然的納米級纖維外形，是典型的一維納米材料，該方法中以凹凸棒石的納米結(jié) 構為模板來制備碳納米棒。
[0009] 而本發(fā)明中的生蛭石也是一種天然礦物，但和凹凸棒不同的是，它一種層狀結(jié)構 的含鎂、鐵質(zhì)鋁硅酸鹽次生變質(zhì)礦。
[0010] 蛭石的薄片層狀結(jié)構，是由兩層層狀的硅氧骨架，通過氫氧鎂石層或氫氧鋁石層 結(jié)合而形成雙層硅氧四面體。"雙層"之間有水分子層存在。蛭石的膨脹，是由于在高溫加熱 時。"雙層"間的水分變成蒸氣產(chǎn)生壓力，使"雙層"分開的緣故。研究蛭石的微觀結(jié)構的學 者們，闡明了蛭石結(jié)構中硅鋁酸鹽層間水分子層的排列形式，認為蛭石層間水分子有兩種 形態(tài):一種是由六個水分子組成的原生水化膜，稱為結(jié)合水，另一種是圍繞著鎂離子處于自 由狀態(tài)的八個水分子，稱為自由水。自由水在比較低的溫度下就能排出，這一點在一些實驗 資料中的論述都是一致的。蛭石所以能夠膨脹，是因為加熱脫水時，在它的封閉層空間由水 蒸氣產(chǎn)生壓力而產(chǎn)生的。蛭石加熱在150°C以下時，一般不產(chǎn)生膨脹，這是因為在150°C以下 的溫度脫水量不大，僅自由水被逸出，水蒸氣由層間自由排出，產(chǎn)生不了足以使它膨脹的壓 力。加熱到150°C以上至更高溫度時（850 - 1000°C)由于硅鋁酸鹽層間基距減小，水蒸氣排 出的條件受到限制，造成層間水蒸氣壓力增高，致使蛭石劇烈膨脹，加熱速度愈快膨脹愈 快。
[0011]本發(fā)明的制備過程與中國發(fā)明專利CN103641165A的不同之處在于，將反應過程放 在高溫加壓反應釜中進行，將壓力調(diào)節(jié)到一定高壓后，在8-10小時內(nèi)將溫度從150°C非常緩 慢地升溫至350°C，在此過程中蛭石層之間的結(jié)合水不斷排除，而鈦源就不斷地填充到硅氧 四面體的空間中，形成納米管狀結(jié)構。
[0012] 本發(fā)明生成的二氧化鈦納米復合材料的寬度為300-3500納米之間的納米管結(jié)構， 且在納米管外部包裹成蛭石的薄片層狀結(jié)構，故在后續(xù)使用中的加壓條件下，納米管不易 破裂。
[0013] 優(yōu)選的，本發(fā)明的步驟D中，所述的鈦前驅(qū)體溶液中可以加入少量氯化鐵。
[0014] 優(yōu)選的，本發(fā)明的步驟D中，所述的鈦前驅(qū)體溶液中可以加入的氯化鐵的物質(zhì)的量 為鈦酸四丁脂的物質(zhì)的量的ο. 5-0.8%。
[0015] 優(yōu)選的，在加入氯化鐵的條件下，離心機的轉(zhuǎn)速為4000-5000轉(zhuǎn)/分鐘，轉(zhuǎn)速太高會 影響材料的磁性。
[0016] 加入少量氯化鐵以后，經(jīng)過煅燒后，會生成少量規(guī)范排列的納米級氧化鐵，會賦予 材料一定的磁性，后續(xù)在利用材料的過程中更加方便。
[0017] 優(yōu)選的，所述的步驟E中，將升溫的速度控制在40°C/小時，將溫度從150°C升溫至 350°C，然后將溫度保持在350°C，保持4小時效果最佳。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟A中的生蛭石也可以替換為酸改性蛭石、堿改性蛭石或者甲基銨 離子改性蛭石。
[0019] 本發(fā)明所提供的用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，以生蛭石粉為模板， 在高溫加壓條件下制備納米級二氧化鈦復合材料，所得到的納米級二氧化鈦管包覆在蛭石 層狀結(jié)構內(nèi)，具備良好的耐壓能力，PM2.5吸附能力強，裝配到特定的凈化裝置中以后，使用 壽命長。同時二氧化鈦還具有吸附，消除氮氧化物等有害氣體的作用，納米級二氧化鈦的消 除效果更佳。
【具體實施方式】
[0020] 實施例1 一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，按照下述步驟進行： A、 將生蛭石研磨至粉末狀，過120目篩，取篩下物，得到生蛭石粉； B、 將生蛭石粉溶解在水中，進行超聲分散，50目濾網(wǎng)過濾，將濾液在80-KKTC條件下烘 干，得到生蛭石細粉； C、 將生蛭石細粉繼續(xù)研磨，過325目篩，取篩下物，得到生蛭石超細粉;加入正丁醇中， 超聲分散，加入十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水，攪拌得到生蛭石超細粉懸濁液，所述的生蛭石 超細粉、正丁醇、十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水的質(zhì)量比例為生蛭石超細粉:正丁醇：十二烷 基苯磺酸鈉:蒸餾水=lg: 900g: 0 · 8g: 250g; D、 將正丁醇稀釋鈦酸四丁脂得到濃度為0.2mol/L的鈦前驅(qū)體溶液； E、 將懸濁液加入高溫加壓反應釜中，將溶液從室溫加熱到150°C，并從常壓升壓到 5MPa，時間15min，然后將足量的鈦前驅(qū)體溶液滴加到生蛭石超細粉懸濁液，將升溫的速度 控制在40°C/小時，將溫度從150°C升溫至350°C，然后將溫度保持在350°C，保持4小時，進行 縮合反應； F、 將反應所得的溶液離心后用純乙醇分散洗滌，在真空中干燥，得到鈦源-膨脹蛭石混 合物，其中的離心機的轉(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/分鐘； G、 將鈦源-膨脹蛭石混合物在500 °C條件下煅燒2.5小時，然后將煅燒后的產(chǎn)物冷卻至 室溫，得到二氧化鈦納米復合材料。
[0021] 本發(fā)明的步驟D中，所述的鈦前驅(qū)體溶液中可以加入的氯化鐵的物質(zhì)的量為鈦酸 四丁脂的物質(zhì)的量的〇. 7%。
[0022] 實施例2 一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，按照下述步驟進行： A、將生蛭石研磨至粉末狀，過120目篩，取篩下物，得到生蛭石粉； B、 將生蛭石粉溶解在水中，進行超聲分散，50目濾網(wǎng)過濾，將濾液在80-KKTC條件下烘 干，得到生蛭石細粉； C、 將生蛭石細粉繼續(xù)研磨，過325目篩，取篩下物，得到生蛭石超細粉;加入正丁醇中， 超聲分散，加入十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水，攪拌得到生蛭石超細粉懸濁液，所述的生蛭石 超細粉、正丁醇、十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水的質(zhì)量比例為生蛭石超細粉:正丁醇：十二烷 基苯磺酸鈉:蒸餾水=lg: l〇〇〇g: 〇. 5g: 200g; D、 將正丁醇稀釋鈦酸四丁脂得到濃度為0.25mol/L的鈦前驅(qū)體溶液； E、 將懸濁液加入高溫加壓反應釜中，將溶液從室溫加熱到150°C，并從常壓升壓到 5MPa，時間lOmin，然后將足量的鈦前驅(qū)體溶液滴加到生蛭石超細粉懸濁液，將升溫的速度 控制在20°C/小時，將溫度從150°C升溫至350°C，進行縮合反應； F、 將反應所得的溶液離心后用純乙醇分散洗滌，在真空中干燥，得到鈦源-膨脹蛭石混 合物，其中的離心機的轉(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/分鐘； G、 將鈦源-膨脹蛭石混合物在，650°C條件下煅燒3小時，然后將煅燒后的產(chǎn)物冷卻至室 溫，得到二氧化鈦納米復合材料。
[0023]本發(fā)明的步驟D中，所述的鈦前驅(qū)體溶液中可以加入的氯化鐵的物質(zhì)的量為鈦酸 四丁脂的物質(zhì)的量的0.5%。
[0024] 實施例3 一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，按照下述步驟進行： A、 將生蛭石研磨至粉末狀，過120目篩，取篩下物，得到生蛭石粉； B、 將生蛭石粉溶解在水中，進行超聲分散，50目濾網(wǎng)過濾，將濾液在80-KKTC條件下烘 干，得到生蛭石細粉； C、 將生蛭石細粉繼續(xù)研磨，過325目篩，取篩下物，得到生蛭石超細粉;加入正丁醇中， 超聲分散，加入十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水，攪拌得到生蛭石超細粉懸濁液，所述的生蛭石 超細粉、正丁醇、十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水的質(zhì)量比例為生蛭石超細粉:正丁醇：十二烷 基苯磺酸鈉:蒸餾水=lg: 800g: 0 · 85g: 300g; D、 將正丁醇稀釋鈦酸四丁脂得到濃度為O.lmol/L的鈦前驅(qū)體溶液； E、 將懸濁液加入高溫加壓反應釜中，將溶液從室溫加熱到150°C，并從常壓升壓到 5MPa，時間15min，然后將足量的鈦前驅(qū)體溶液滴加到生蛭石超細粉懸濁液，將升溫的速度 控制在30°C/小時，將溫度從150°C升溫至350°C，然后將溫度保持在350°C，保持2.5小時，進 行縮合反應； F、 將反應所得的溶液離心后用純乙醇分散洗滌，在真空中干燥，得到鈦源-膨脹蛭石混 合物，其中的離心機的轉(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/分鐘； G、 將鈦源-膨脹蛭石混合物在400 °C條件下煅燒3小時，然后將煅燒后的產(chǎn)物冷卻至室 溫，得到二氧化鈦納米復合材料。
[0025] 本發(fā)明的步驟D中，所述的鈦前驅(qū)體溶液中可以加入的氯化鐵的物質(zhì)的量為鈦酸 四丁脂的物質(zhì)的量的〇. 8%。
[0026] 將實施例1-3制備的二氧化鈦納米復合材料安裝到空氣凈化裝置中，所述的空氣 凈化裝置包括圓柱體主體:直徑為12cm，長度為35cm的圓柱體，外殼為鋁合金結(jié)構，腔體內(nèi) 部為永磁鐵管，所述的永磁鐵管成彎曲回路結(jié)構，永磁鐵管表面包覆二氧化鈦納米復合材 料，所述的永磁鐵管的直徑為5mm，長度為250m。
[0027] 所述的空氣凈化裝置還包括外加壓設備，在加壓條件下，PM2.5吸附到二氧化鈦納 米復合材料中以后，會被壓縮為大顆粒，保存在二氧化鈦納米復合材料的納米管內(nèi)，從而騰 出空間，可以吸附更多的PM2.5，效果更加持久。
[0028] 將二氧化鈦納米復合材料安裝到空氣凈化裝置后，進行測試。
[0029]將空氣凈化裝置放在空間為300立方米，PM2.5濃度控制在300微克/立方米，空氣 流動速度為2m/s的空間內(nèi)實驗，空氣凈化裝置工作4小時后，PM2.5濃度降低到35微克/立方 米以下，空氣凈化裝置為效果正常，實施例1-3的使用時間如下： 實施例4
將步驟F中的離心機的轉(zhuǎn)速為7500轉(zhuǎn)/分鐘，其余制備條件與實施例1相同，制備的空氣 凈化裝置中永磁鐵管對二氧化鈦納米復合材料的吸附量降低了 35%，最終的PM2.5凈化測試 中使用時間為1450小時。
[0030] 實施例5 將步驟D中氯化鐵的物質(zhì)的量為鈦酸四丁脂的物質(zhì)的量的0.3%，其余制備條件與實施 例1相同，制備的空氣凈化裝置中永磁鐵管對二氧化鈦納米復合材料的吸附量降低了60%， 最終的PM2.5凈化測試中使用時間為900小時。
[0031] 實施例6 將步驟D中氯化鐵的物質(zhì)的量為鈦酸四丁脂的物質(zhì)的量的1.5%，其余制備條件與實施 例1相同，制備的空氣凈化裝置中永磁鐵管對二氧化鈦納米復合材料的吸附量升高5%，最終 的PM2.5凈化測試中使用時間為2000小時。
[0032] 由實施例4-6的測試數(shù)據(jù)可知，離心機的轉(zhuǎn)速過高會影響二氧化鈦納米復合材料 的磁性，從而最終影響凈化裝置的使用壽命;氯化鐵的加入量過低會降低二氧化鈦納米復 合材料的磁性，影響永磁鐵管對二氧化鈦納米復合材料的吸附量，從而最終影響凈化裝置 的使用壽命，但氯化鐵的加入量過大后，對永磁鐵管對二氧化鈦納米復合材料的吸附量影 響不大。
[0033] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其 發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，其特征在于，按照下述步驟進行： A、 將生蛭石研磨至粉末狀，過120目篩，取篩下物，得到生蛭石粉； B、 將生蛭石粉溶解在水中，進行超聲分散，50目濾網(wǎng)過濾，將濾液在80-100°C條件下烘 干，得到生蛭石細粉； C、 將生蛭石細粉繼續(xù)研磨，過325目篩，取篩下物，得到生蛭石超細粉;加入正丁醇中， 超聲分散，加入十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水，攪拌得到生蛭石超細粉懸濁液，所述的生蛭石 超細粉、正丁醇、十二烷基苯磺酸鈉和蒸餾水的質(zhì)量比例為生蛭石超細粉:正丁醇：十二烷 基苯磺酸鈉:蒸餾水=lg: 800-1000g: 0 · 5-lg: 200-300g; D、 將正丁醇稀釋鈦酸四丁脂得到濃度為0.1-0.25mol/L的鈦前驅(qū)體溶液； E、 將懸濁液加入高溫加壓反應釜中，將溶液在10_20min內(nèi)從室溫加熱到150°C，并從常 壓升壓到5MPa，然后將足量的鈦前驅(qū)體溶液滴加到生蛭石超細粉懸濁液，攪拌8-10小時進 行縮合反應，反應時溫度逐漸從150°C升溫至350°C ; F、 將反應所得的溶液離心后用純乙醇分散洗滌，在真空中干燥，得到鈦源-膨脹蛭石混 合物，其中的離心機的轉(zhuǎn)速為4000-8000轉(zhuǎn)/分鐘； G、 將鈦源-膨脹蛭石混合物在350-950°C條件下煅燒2-3小時，然后將煅燒后的產(chǎn)物冷 卻至室溫，得到二氧化鈦納米復合材料。2. 如權利要求1所述的用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，其特征在于，本發(fā)明 的步驟D中，所述的鈦前驅(qū)體溶液中加入少量氯化鐵。3. 如權利要求2所述的用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，其特征在于，所述的 鈦前驅(qū)體溶液中加入的氯化鐵的物質(zhì)的量為鈦酸四丁脂的物質(zhì)的量的0.5-0.8%。4. 如權利要求2所述的用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，其特征在于，離心機 的轉(zhuǎn)速為4000-5000轉(zhuǎn)/分鐘。5. 如權利要求1所述的用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，其特征在于，所述的 步驟E中，將升溫的速度控制在40 °C/小時，將溫度從150 °C升溫至350 °C，然后將溫度保持在 350 °C，保持4小時。6. 如權利要求1所述的用于空氣凈化的納米復合材料的制備方法，其特征在于，所述的 二氧化鈦納米復合材料可以應用到空氣凈化裝置的永磁鐵管表面包覆中。7. 如權利要求1所述的可用于空氣凈化的蜂窩狀納米材料的制備方法，其特征在于，所 述步驟A之前還包括將生蛭石加入水中攪拌混合4 一 8小時，混合濃度為13 - 37g/L得到第一 生蛭石溶液，將第一蛭石溶液進行干燥，研磨，篩分取小于200目的一磨生蛭石，然后再進行 步驟A中的將生蛭石研磨至粉末狀。8. 如權利要求7所述的可用于空氣凈化的蜂窩狀納米材料的制備方法，其特征在于，所 述步驟A中的生蛭石替換為酸改性蛭石、堿改性蛭石或者甲基銨離子改性蛭石。
【文檔編號】B01D46/00GK105854430SQ201610316423
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】劉加勇, 王喆
【申請人】中環(huán)清新人工環(huán)境工程技術(北京)有限責任公司