CN105664938A - 一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料及其制备方法，该净化材料由多孔玄武岩纤维载体、多孔氧化物涂层和催化剂组成，是通过混合研磨、负载、涂覆烧结工艺步骤将催化剂负载于多空玄武岩纤维的孔洞中制备而成的，该净化材料具有高效的汽车尾气净化效率，该制备方法具有生产成本低，生产过程简单，原材料易得，适合大规模工业化生产的优点。
Description
技术领域
本发明涉及汽车尾气净化材料领域，具体涉及一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料及其制备方法。
背景技术
玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，是未来我国重点发展的四大高性能纤维之一，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过纺丝工艺制备而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，而且，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。
汽车作为现代社会最重要的交通工具之一，给人们的生活和工作带来便利。但是汽车尾气也已成为除煤烟型大气污染之外的又一大气污染源。这是主要是由于汽车尾气中含有不完全燃烧的产物一氧化碳、碳化氢，以及过度燃烧的产物一氮氧化合物，它们对人体的健康及动植物的生存构成巨大的危害。汽车尾气净化材料是为了降低汽车尾气对环境的污染而发明的一种能够有效净化汽车尾气的催化剂材料，其主要作用机理是将尾气中的大部分有害气体进行催化氧化，生成无害或无毒的气体，并能对尾气中的固体微粒进行过滤或吸附，从而减少尾气中有害物质的含量，降低了汽车尾气对环境的污染和对人体健康的危害。
中国专利公开号CN104174392A公开了一种担载型铂基多金属催化剂的一步制备方法和应用，该方法中将纳米铂基多金属催化剂颗粒均匀分散在载体表面上，具有反应条件温和，操作简单，反应迅速，易放大合成的优点，但由于载体孔隙率较低，比表面积小，且催化剂颗粒只是负载在载体的表面，负载量小，因而与汽车尾气的接触面小、催化反应点位少，反应效率低。
中国专利公开号CN101601999公开了一种用于净化汽车尾气的催化剂及其制备方法，该方法是以活性氧化铝和储氧材料为涂层，采用双层涂覆在蜂窝陶瓷载体上的方式制备得到的催化剂，具有低温起燃活性好，耐老化性能好的优点，但氧化铝载体孔隙率较低，比表面积小，且双层的涂层都仅限于负载于蜂窝陶瓷的表面，负载量小，接触面窄，催化反应点位少，反应效率低。
中国专利公开号CN103861615A公开了一种用于汽车尾气净化的催化剂，该催化剂是以软金属为载体，通过浸泡将其负载在软体金属表面，但软金属载体无孔洞，比表面积小，负载量小，因而存在汽车尾气与催化剂的接触面窄，催化反应点位少，反应效率低的缺点。
现今大多汽车尾气净化催化剂都采用表面涂覆的工艺对催化剂进行负载，虽然工艺简单，但却存在由于负载量小，比表面积小，接触面窄，催化反应点位少而造成的催化效率低的缺陷。
发明内容
本发为了解决现今汽车尾气净化材料效率低的缺陷和不足，提出了一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料及其制备方法。
本发明为了实现上述目的，提供一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，该净化材料包括多孔玄武岩纤维载体、多孔氧化物涂层和催化剂；多孔玄武岩纤维具有孔隙率大、比表面积大、耐高温的特点，通过混合研磨、负载、涂覆烧结工艺步骤将其制备而成的用于汽车尾气净化的材料，该复合材料不仅能有效的过滤尾气中的小颗粒微尘，还能高效催化氧化尾气中的碳氢化合物、一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫有害气体，将汽车尾气对大气的污染减小到最低；其中所述的多孔氧化物涂层涂覆在多孔玄武岩纤维表面，所述的催化剂负载于多孔玄武岩纤维孔内。
本发明为了实现上述目的，还提供一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料的制备方法，该方法是将催化剂通过气动立体混合技术负载于多空玄武岩纤维的孔洞中而制备得到该玄武岩纤维汽车尾气净化材料，采用该方法能负载更多的催化剂，且提高尾气与催化剂的接触面积和延长接触时间，有害气体氧化更彻底，进而提高尾气净化效率；该制备方法具有生产成本低，生产工艺简单，原材料易得，适合大规模工业化生产的优点。
本发明一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，由以下重量份原材料材料制备而成：
多孔玄武岩纤维60-70份，
催化剂20-40份，
溶胶适量，
其中所述的多孔玄武岩纤维直径为10μm-500μm，长度为1mm-10mm，孔隙率为30%-80%，孔洞直径为50-200nm；所述的催化剂是由稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属氧化物三元复合而成的催化剂；所述的溶胶浓度为1.0-3.0mol/L的氢氧化铝溶胶、二氧化硅溶胶中的一种。
上述一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其中所述的催化剂为纳米颗粒，直径为10nm-50nm。
上述一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其中所述的多孔氧化物涂层厚度为1-10μm。
上述一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其中所述的稀土金属氧化物为氧化镧、三氧化二铈、二氧化铈、氧化镨中的一种或多种；过渡金属氧化物为氧化铑、氧化铂、氧化钯中的一种或多种；所述的碱土金属氧化物为氧化铍、氧化镁、氧化钙中的一种或多种。
上述一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其中所述的催化剂是按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属氧化物，置入行星式球磨机中进行混合研磨20-40min，出料得到的。
本发明一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，使用了多空玄武岩纤维，其具有的比表面积大、吸附性好的优点，增加了催化剂的负载量，增大了尾气与催化剂的接触面和延长了尾气与催化剂的接触时间，提高了尾气的净化效率，具有优异的使用价值和广阔的市场前景。
本发明一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料的制备方法，其具体制备步骤如下：
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为20-40重量份的稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属氧化物，置入行星式球磨机中进行混合研磨20-40min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与60-70重量份的多孔玄武岩纤维使用气动立体混合机进行混合负载1-2h，使催化剂在气流的带动下全部驻留在玄武岩纤维的孔洞中得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
3）将步骤2)得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用溶胶进行表面涂覆，晾干后在250-350℃的温度下煅烧1-2h后取出，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
上述一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料的制备方法中，步骤3）中表面涂覆的厚度为2-10μm。
本发明一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料的制备方法，包括混合研磨、负载、涂覆烧结工艺步骤；纳米催化剂颗粒和多孔玄武岩纤维在气体的带动下高速运动并分散开来，催化剂颗粒在跟随气体从玄武岩纤维的孔洞中穿过时，由于孔洞内部直径可能小于纳米催化剂颗粒，催化剂颗粒被拦截，并驻留在孔洞中，随着气体的不断运动，驻留的催化剂颗粒会越来越多，进而形成负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维，再通过在负载有催化剂的多孔玄武岩纤维表面涂覆溶胶，经烧结形成多孔氧化物涂层，用以对孔洞中的催化剂颗粒进行保护、禁锢，从而得到玄武岩汽车尾气净化材料，该材料增加了反应接触面和反应时间，同时也增加了催化剂的负载量，从而极大的提高了对汽车尾气的净化效率，本发明方法具有生产成本低，生产工艺简单，原材料易得，适合大规模工业化生产的优点。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明使用多孔玄武岩纤维作为载体材料，比表面积大，耐高温性能好，提高了汽车尾气净化材料的净化效率。
2、本发明通过气动立体混合技术将催化剂驻留在玄武岩纤维的孔洞中，增加了反应接触面和反应时间，同时也增加了催化剂的负载量，提高了对汽车尾气的净化效率。
3、本发明生产成本低，生产工艺简单，原材料易得，适合大规模工业化生产。
本发明制备的玄武岩汽车尾气净化材料，经检测，性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | ≥98 |
| 一氧化碳 | ≥98 |
| 二氧化氮 | ≥97 |
| 碳氢化合物 | ≥97 |
| 二氧化硫 | ≥96 |
| 固体颗粒 | ≥95 |
| 平均值 | ≥96.8 |
附图说明：
图1为本发明玄武岩纤维汽车尾气净化材料的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为20重量份、颗粒直径为20nm的氧化镧、氧化铑和氧化铍，置入行星式球磨机中进行混合研磨20min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与60重量份、直径为10μm、长度为1mm、孔隙率为30%、孔洞直径为50nm的多孔玄武岩纤维使用气动立体混合机进行混合负载1h，使催化剂在气流的带动下全部驻留在玄武岩纤维的孔洞中得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
3）将步骤2)得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用浓度为1.0mol/L的氢氧化铝溶胶进行表面涂覆，晾干后在250℃的温度下煅烧1h后取出，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
本实施例制备得到的净化材料经检测，其性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | 98.2 |
| 一氧化碳 | 98.5 |
| 二氧化氮 | 97.8 |
| 碳氢化合物 | 97.9 |
| 二氧化硫 | 96.0 |
| 固体颗粒 | 97.9 |
| 平均值 | 97.7 |
实施例2
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为40重量份、颗粒直径为50nm的三氧化二铈、氧化铂和氧化镁，置入行星式球磨机中进行混合研磨40min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与70重量份、直径为500μm、长度为10mm、孔隙率为80%、孔洞直径为200nm的多孔玄武岩纤维使用气动立体混合机进行混合负载2h，使催化剂在气流的带动下全部驻留在玄武岩纤维的孔洞中得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
3）将步骤2)得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用浓度为3.0mol/L的二氧化硅溶胶进行表面涂覆，晾干后在350℃的温度下煅烧2h后取出，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
本实施例制备得到的净化材料经检测，其性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | 99.0 |
| 一氧化碳 | 98.5 |
| 二氧化氮 | 98.5 |
| 碳氢化合物 | 98.2 |
| 二氧化硫 | 96.24 --> |
| 固体颗粒 | 98.1 |
| 平均值 | 98.1 |
实施例3
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为30重量份颗粒直径为40nm的氧化镨、氧化钯和氧化钙，置入行星式球磨机中进行混合研磨30min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与65重量份、直径为50μm、长度为6mm、孔隙率为60%、孔洞直径为120nm的多孔玄武岩纤维使用气动立体混合机进行混合负载1h，得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
3）将步骤2)得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用浓度为1.5mol/L的氢氧化铝溶胶进行表面涂覆，晾干后在250℃的温度下煅烧1h后取出，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
本实施例制备得到的净化材料经检测，其性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | 98.8 |
| 一氧化碳 | 98.5 |
| 二氧化氮 | 97.6 |
| 碳氢化合物 | 97.5 |
| 二氧化硫 | 97.3 |
| 固体颗粒 | 97.9 |
| 平均值 | 97.9 |
对比实施例：
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为30重量份颗粒直径为40nm的氧化镨、氧化钯和氧化钙，置入行星式球磨机中进行混合研磨30min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与65重量份的活性炭载体使用气动立体混合机进行混合负载1h；
3）将步骤2)得到负载有催化剂的活性炭用浓度为1.5mol/L的氢氧化铝溶胶进行表面涂覆，晾干后在250℃的温度下煅烧1h后取出，得活性炭汽车尾气净化材料。
本对比实施例制备得到的净化催化剂经检测，其性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | 85.6 |
| 一氧化碳 | 84.7 |
| 二氧化氮 | 89.5 |
| 碳氢化合物 | 83.1 |
| 二氧化硫 | 80.1 |
| 固体颗粒 | 67.5 |
| 平均值 | 80.1 |
由以上对比实施例可以看出，采用多孔玄武岩纤维作为载体可以显著提高汽车尾气的净化效率。
实施例4
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为30重量份、颗粒直径为30nm的二氧化铈、氧化钯和氧化钙，置入行星式球磨机中进行混合研磨30min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与60-70重量份、直径为200μm、长度为5mm、孔隙率为50%、孔洞直径为100nm的多孔玄武岩纤维使用气动立体混合机进行混合负载2h，使催化剂在气流的带动下全部驻留在玄武岩纤维的孔洞中得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
3）将步骤2)得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用浓度为2.0mol/L的二氧化硅溶胶进行表面涂覆，晾干后在300℃的温度下煅烧2h后取出，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
本实施例制备得到的净化材料经检测，其性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | 98.2 |
| 一氧化碳 | 98.5 |
| 二氧化氮 | 97.9 |
| 碳氢化合物 | 98.2 |
| 二氧化硫 | 96.8 |
| 固体颗粒 | 97.5 |
| 平均值 | 97.9 |
对比实施例：
1）按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取总量为30重量份、颗粒直径为30nm的二氧化铈、氧化钯和氧化钙，置入行星式球磨机中进行混合研磨30min，出料得到催化剂；
2）将步骤1)得到的催化剂与60-70重量份、直径为200μm、长度为5mm、孔隙率为50%、孔洞直径为100nm的多孔玄武岩纤维普通混合机进行混合负载2h，得到表面负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
3）将步骤2)得到表面负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用浓度为2.0mol/L的二氧化硅溶胶进行表面涂覆，晾干后在300℃的温度下煅烧2h后取出，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
本对比实施例制备得到的净化材料经检测，其性能如下：
| 尾气成分 | 净化效率（%） |
| 一氧化氮 | 78.2 |
| 一氧化碳 | 78.5 |
| 二氧化氮 | 77.9 |
| 碳氢化合物 | 78.2 |
| 二氧化硫 | 76.8 |
| 固体颗粒 | 97.5 |
| 平均值 | 81.2 |
由以上对比实施例可以看出，采用气动立体混合机对多孔玄武岩纤维进行负载，使催化剂在气流的带动下全部驻留在玄武岩纤维的孔洞中得到玄武岩纤维尾气净化材料净化效率得到显著提高。
Claims (10)
1.一种玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于由多孔玄武岩纤维载体、多孔氧化物涂层和催化剂组成，其中催化剂负载于多孔玄武岩纤维孔洞中，多孔氧化物涂层包覆在多孔玄武岩纤维表面。
2.根据权利要求1中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于所述的多孔玄武岩纤维直径为10-500μm，长度为1mm-10mm。
3.根据权利要求2中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于所述的多孔玄武岩纤维孔隙率为30%-80%，孔洞直径为50-200nm。
4.根据权利要求1中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于所述的多孔氧化物涂层是由氢氧化铝溶胶、二氧化硅溶胶中的一种制备而成的。
5.根据权利要求1中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于所述的多孔氧化物涂层的厚度为1-10μm。
6.根据权利要求1中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于催化剂是按照物质的量1∶1∶3的比例分别称取稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属氧化物，置入行星式球磨机中进行混合研磨得到的。
7.根据权利要求6中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于所述的催化剂为纳米颗粒，直径为10nm-50nm。
8.根据权利要求6中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于所述的稀土金属氧化物为氧化镧、三氧化二铈、二氧化铈、氧化镨中的一种或多种；过渡金属氧化物为氧化铑、氧化铂、氧化钯中的一种或多种；所述的碱土金属氧化物为氧化铍、氧化镁、氧化钙中的一种或多种。
9.根据权利要求1中所述的玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于多孔玄武岩纤维与催化剂重量份比值为6-7∶2-4。
10.根据权利要求1所述玄武岩纤维汽车尾气净化材料，其特征在于制备方法，制备步骤如下：
1）将催化剂与多孔玄武岩纤维使用气动立体混合机进行混合负载，使催化剂在气流的带动下全部驻留在玄武岩纤维的孔洞中得到负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维；
2）将负载有催化剂的多孔玄武岩复合纤维用氢氧化铝溶胶、二氧化硅溶胶中的一种进行表面涂覆，晾干后煅烧，即得玄武岩汽车尾气净化材料。
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