CN107754760A - 一种净化甲醛的多孔碳材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及室内空气净化技术领域,具体的,涉及一种净化甲醛的多孔碳材料及其制备方法,所述的制备方法包括:(1)取植物原料破碎成颗粒,加入碱性溶液调节pH至8‑9,加入尿素溶解,过滤得滤液A;(2)向滤液A中加入水性聚合物乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维;(4)将高分子纤维碳化处理,得到活性炭丝;(5)将活性炭丝在水蒸气中活化处理,得到净化甲醛的多孔碳材料;本发明提供的净化甲醛的多孔碳材料,以有机硅树脂为骨架,通过喷丝处理工艺形成活性炭丝,极大的提高了碳材料的比表面积,提高了对空气中甲醛的吸附效率和净化效果。
Description
技术领域
本发明涉及室内空气净化技术领域,具体的,涉及一种净化甲醛的多孔碳材料及其制备方法。
背景技术
随着室内装修的普及以及室内环境密闭化程度的增加,室内空气污染日益严重。由于大部分室内装修材料中均含有甲醛,而且甲醛释放时间长、毒害性大,因此甲醛已成为室内空气最严重的污染物之一。甲醛可经由呼吸及皮肤接触而影响人体健康,长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病,甚至引起口腔、鼻咽、咽喉、皮肤和消化道的癌症,因此如何有效去除室内空气中甲醛成为人类亟待解决的难题之一。
目前,常见的甲醛去除方法主要有通风换气法、植物净化法、光催化氧化法、热催化氧化法、吸附法等。通风换气法虽效果较好,但很大程度上受温度、季节及空气质量的限制;植物净化法虽简单易行、长期有效,但去除时间长、效果缓慢;光催化氧化法及热催化氧化法可将甲醛氧化为二氧化碳,无二次污染,但是光催化氧化法通常利用紫外光激发,对人体健康不利,不适于家用,且能耗高,而热催化氧化法所用的催化剂通常是Pt、Au等贵金属,成本较高,且需要外加热源,反应条件不易实现;与以上这些方法相比,吸附法具有脱除效率高、富集功能强、能耗低、操作便捷等优点,被视为是去除室内空气中甲醛气体的一种有效方法,但现有的甲醛吸附剂在实际应用中存在吸附效果差、吸附剂饱和需脱附更新、成本高、生产工艺复杂、生产效率低等问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种净化甲醛的多孔碳材料,提高甲醛的净化效率。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)取植物原料破碎成颗粒,加入碱性溶液调节pH至8-9,加入尿素溶解,过滤得滤液A;
(2)向滤液A中加入水性聚合物乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维;
(4)将高分子纤维碳化处理,得到活性炭丝;
(5)将活性炭丝在水蒸气中活化处理,得到净化甲醛的多孔碳材料;
其中,所述植物为木材、树叶、果壳、秸秆中的至少一种。
所述的水性聚合物乳液由硅丙乳液、丙烯酸乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液中的一种或多种混配而成。
根据本发明,本发明中所述的碳材料几乎可以使所有富含有碳的有机材料,如木材、树叶、果壳和秸秆中的至少一种,这些含碳材料在高温和一定压力下通过热解作用被转换成具有高比表面积的活性炭。本发明对其种类没有特殊的要求,可以为所属领域技术人员所公知,本发明在此不再赘述。
根据本发明,为了便于操作,本发明首先将植物粉碎成颗粒状,粉碎工艺为所属领域常规的技术方法,本发明对此没有特殊要求,粉碎后的颗粒过200目筛。为了实现植物原料颗粒中纤维素的溶解,在碱性环境下加入尿素,所述的碱性溶液的目的在于提供碱性环境,本发明对其没有特殊的要求,可以为所属领域技术人员所公知,例如,所述碱性溶液为无机碱和/或有机碱配制而成,具体的,该碱源可以为碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、脲及其衍生物和有机胺中的至少一种,进一步优选的,所述碱源为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵中的至少一种。
本发明通过静电纺丝,对混合乳液进行喷丝,将混合乳液制备成高分子纤维,其中,在步骤(3)中,所述喷丝工艺为:将混合乳液进行多针头静电纺丝,所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料。
优选的,所述多针头静电纺丝的工艺条件为:电源电压10-60KV,纺丝环境条件为温度15-35℃,相对湿度25-90%;多针头喷丝单元针头间距2-30cm,喷丝单元针头数量为6-90个。
优选的,所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为10-50μm,滤纸孔径尺寸为20-100μm,克重为50-200g/m2,初始过滤效率为15%-60%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在20-50℃下干燥0.5-3h后使用。
高分子纤维经碳化后形成活性炭丝,优选的,所述高分子纤维的碳化工艺为:在惰性气体氛围中,首先升温至100-150℃,保温3-5h,再升温至500-800℃,保温5-10h。
为了提高活性炭丝的比表面积,本发明中将活性炭丝置于水蒸气中进行活化处理,优选的,所述活化处理的工艺为将活性炭丝在水蒸气中放置30-200min,其中所述水蒸气的温度为100-150℃;活性炭丝经水蒸气活化后形成卷曲的活性炭丝,卷曲的活性炭丝互相织网组成一个快速吸附空气中污染物的通道,活性炭丝布满的微孔进一步吸附空气中的有害物,从而实现了对空气中甲醛的净化处理。
优选的,本发明还在水蒸气中加入了过氧化氢,过氧化氢不仅能够缩短活化时间,降低活化温度,此外,过氧化氢还能够保留活性炭丝表面的官能团,有利于吸附空气中的有害气体和微粒,优选的,所述含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为1-5%的过氧化氢水溶液产生;
优选的,所述水蒸气中还含有惰性气体,惰性气体与水蒸气的体积比为(0-2):1。
本发明还提供一种净化甲醛的多孔碳材料,根据上述制备方法制备得到。
多孔碳材料的比表面积是影响其吸附能力的最重要因素之一,本发明中,所述活性炭丝材料的比表面积为3400-4500m2/g,对甲醛的吸附率为95-99.9%。
本发明具有以下技术效果:
1、本发明提供的净化甲醛的多孔碳材料,以有机硅树脂为骨架,通过喷丝处理工艺形成活性炭丝,极大的提高了碳材料的比表面积,提高了对空气中甲醛的吸附效率和净化效果;
2、本发明所述的制备方法得到的多孔碳材料具有高比表面,确保了其优越的吸附性能。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐明本发明。
实施例1
一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法:
(1)取木材破碎成颗粒过200目筛,加入氢氧化钠调节pH至8,加入尿素溶解,过滤得滤液A;
(2)向滤液A中加入硅丙乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维,其中多针头静电纺丝的针头之间绝缘;所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料,电源电压30KV,纺丝环境条件为温度25℃,相对湿度45%;多针头喷丝单元针头间距10cm,喷丝单元针头数量为60个;
所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为30μm,滤纸孔径尺寸为50μm,克重为100g/m2,初始过滤效率为40%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在30℃下干燥2h后使用
(4)将高分子纤维在氩气中升温至120℃,保温4h,再升温至600℃,保温8h,得到活性炭丝;
(5)将活性炭丝在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置60min,得到净化甲醛的多孔碳材料,其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为2.5%的过氧化氢水溶液产生,所述惰性气体与水蒸气的体积比为1:1。
实施例2
一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法:
(1)取植物树叶破碎成颗粒过200目筛,加入氢氧化钾调节pH至8,加入尿素溶解,过滤得滤液A;
(2)向滤液A中加入丙烯酸乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维,其中多针头静电纺丝的针头之间绝缘;所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料,电源电压10KV,纺丝环境条件为温度15℃,相对湿度25%;多针头喷丝单元针头间距2cm,喷丝单元针头数量为90个;
所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为10μm,滤纸孔径尺寸为20μm,克重为200g/m2,初始过滤效率为15%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在20℃下干燥3h后使用
(4)将高分子纤维在氩气中升温至100℃,保温5h,再升温至800℃,保温5h,得到活性炭丝;
(5)将活性炭丝在温度为100℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置200min,得到净化甲醛的多孔碳材料,其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为2.5%的过氧化氢水溶液产生,所述惰性气体与水蒸气的体积比为1:1。
实施例3
一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法:
(1)取秸秆原料破碎成颗粒过200目筛,加入四甲基氢氧化铵调节pH至9,加入尿素溶解,过滤得滤液A;
(2)向滤液A中加入苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维,其中多针头静电纺丝的针头之间绝缘;所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料,电源电压60KV,纺丝环境条件为温度35℃,相对湿度90%;多针头喷丝单元针头间距30cm,喷丝单元针头数量为6个;
所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为50μm,滤纸孔径尺寸为100μm,克重为50g/m2,初始过滤效率为60%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在50℃下干燥0.5h后使用
(4)将高分子纤维在氩气中升温至150℃,保温3h,再升温至500℃,保温10h,得到活性炭丝;
(5)将活性炭丝在温度为150℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置30min,得到净化甲醛的多孔碳材料,其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为2.5%的过氧化氢水溶液产生,所述惰性气体与水蒸气的体积比为1:1。
对比例1
按照实施例1的方法制备多孔碳材料,不同的是,不对秸秆颗粒进行纤维素的溶解处理,步骤如下:
一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法:
(1)取木材破碎成颗粒过200目筛,加入硅丙乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(2)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维,其中多针头静电纺丝的针头之间绝缘;所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料,电源电压30KV,纺丝环境条件为温度25℃,相对湿度45%;多针头喷丝单元针头间距10cm,喷丝单元针头数量为60个;
所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为30μm,滤纸孔径尺寸为50μm,克重为100g/m2,初始过滤效率为40%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在30℃下干燥2h后使用
(3)将高分子纤维在氩气中升温至120℃,保温4h,再升温至600℃,保温8h,得到活性炭丝;
(4)将活性炭丝在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置60min,得到净化甲醛的多孔碳材料,其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为2.5%的过氧化氢水溶液产生,所述惰性气体与水蒸气的体积比为1:1。
对比例2
按照实施例1的方法制备多孔碳材料,不同的是,不对活性炭丝进行水蒸气活化处理,步骤如下:
一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法:
(1)取木材破碎成颗粒过200目筛,加入氢氧化钠调节pH至8,加入尿素溶解,过滤得滤液A;
(2)向滤液A中加入硅丙乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维,其中多针头静电纺丝的针头之间绝缘;所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料,电源电压30KV,纺丝环境条件为温度25℃,相对湿度45%;多针头喷丝单元针头间距10cm,喷丝单元针头数量为60个;
所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为30μm,滤纸孔径尺寸为50μm,克重为100g/m2,初始过滤效率为40%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在30℃下干燥2h后使用
(4)将高分子纤维在氩气中升温至120℃,保温4h,再升温至600℃,保温8h,得到活性炭丝。
吸附性能测试:
本发明的多孔碳材料对甲醛的净化性能评价在Φ20mm、长200mm直型聚四氟乙烯管反应器中进行,多孔碳材料的装填尺寸为Φ20mm*50mm(多孔碳材料装填直径与直型聚四氟乙烯管反应器相同,保证通过的气体均经过多孔碳材料处理),原料气组成为:甲醛浓度6ppm,其余为空气。反应在25℃常压环境下进行,反应气体积空速(GHSV)为6000h-1,由国产GD80便携式甲醛气体检测仪检测出甲醛浓度计算得到甲醛净化率,实验结果见表1所示。
表1:
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于;包括以下步骤:
(1)取植物原料破碎成颗粒,加入碱性溶液调节pH至8-9,加入尿素溶解,过滤得滤液A;
(2)向滤液A中加入水性聚合物乳液和有机硅树脂,搅拌均匀得混合乳液;
(3)对混合乳液进行喷丝,得到高分子纤维;
(4)将高分子纤维碳化处理,得到活性炭丝;
(5)将活性炭丝在水蒸气中活化处理,得到净化甲醛的多孔碳材料;
其中,所述植物为木材、树叶、果壳、秸秆中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于:在步骤(2)中,所述的水性聚合物乳液由硅丙乳液、丙烯酸乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液中的一种或多种混配而成。
3.根据权利要求1所述的净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于:在所述的步骤(3)中,喷丝工艺为:将混合乳液进行多针头静电纺丝,所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收,得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料。
4.根据权利要求3所述的净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于:在步骤(3)中,多针头静电纺丝的工艺条件为:电源电压10-60KV,纺丝环境条件为温度15-35℃,相对湿度25-90%;多针头喷丝单元针头间距2-30cm,喷丝单元针头数量为6-90个。
5.根据权利要求3或4所述的净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于:所述玻璃纤维滤纸,其组成纤维直径为10-50μm,滤纸孔径尺寸为20-100μm,克重为50-200g/m2,初始过滤效率为15%-60%,接收前所述玻璃纤维滤纸用乙醇超声清洗,在20-50℃下干燥0.5-3h后使用。
6.根据权利要求1所述的净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于:在步骤(4)中,所述的高分子纤维的碳化工艺为:在惰性气体氛围中,首先升温至100-150℃,保温3-5h,再升温至500-800℃,保温5-10h。
7.根据权利要求1所述的净化甲醛的多孔碳材料的制备方法,其特征在于:在步骤(5)中,所述水蒸气的活化条件为:将活性炭丝在含有过氧化氢的水蒸气中放置30-200min。
8.一种净化甲醛的多孔碳材料,其特征在于:根据权利要求1-7任意一项所述的制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的净化甲醛的多孔碳材料,其特征在于:所述的多孔碳材料的比表面积为3400-4500m2/g,对甲醛的吸附率为95-99.9%。
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