CN108160052B - 一种高效空气吸附材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效空气吸附材料的制备方法，包括（1）将浆料进行精制处理后脱液浓缩，浓缩液中加入氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；（2）加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，解纤得到微纤丝植物纤维浆料；（3）纤维浆粕与发酵母液搅拌混合，接入木醋杆菌通气培养，加入微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养得到细菌纤维素交联的胶状液体；（4）胶状液体中，加入填充剂搅拌均匀后，加入NaOH溶液，处理后过滤清洗干净造粒。本发明的产品实现对PM2.5等有害微粒的超强吸附能力，同时具有杀菌效果，同时其原料天然环保，制备条件简单温和。

Description

一种高效空气吸附材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高效空气吸附材料及其制备方法。

背景技术

空气净化吸附材料是指主要用于家居生活之中用来治理室内环境污染的吸附材料。主要有：活性硅、活性炭、活性氧化铝。

空气净化吸附材料一般具有一下特点：比表面极大，吸附能力强；对气体有较高的吸附性能，能迅速吸附；环保，无污染，制造成本低。空气净化吸附材料可有效吸附因家居装修而释放出来的甲醛、苯、二甲苯等有害物质。室内空气污染现象目前广泛存在于居室等各种封闭的建筑物中, 恶劣的室内空气正在给人类的健康带来严重危害。1997 年在华盛顿召开的世界环境大会指出: 室内空气污染比室外空气污染更严重。室内空气污染问题在世界许多国家都受到了高度重视, 欧洲、北美和日本等国家从20 世纪80 年代开展了室内环境质量的研究工作。

我国是一个癌症高发病率的国家，几乎五分钟就有一个癌症患者出现，据大量的研究报告,室内装修、家具、电器产生的有毒有害气体是现在大部分癌症诱发的主要原因，现代人几乎80~90%的时间是在室内度过的，室内空气的质量关乎着人们的健康，但是有毒有害气体不知不觉的破坏着我们的健康。

室内有毒有害气体包括：

醛类（甲醛为主）：作为原浆毒物质，能与蛋白质结合，从新陈代谢的层面影响人体健康。低浓度甲醛会导致呼吸消化***疾病，而高浓度的甲醛则有强致癌作用。甲醛易溶于水和有机溶剂，易附着，温度升高容易挥发 。是长期残留在家具和家装上缓慢挥发致癌的有毒气体之一；

苯和甲苯类：苯和甲苯是白细胞病变的元凶，会造成染色体病变，并且苯和甲苯属于芳香族化合物，苯环特别稳定，在体内不易分解，会严重影响身体健康。苯环类物质主要来自室内使用的油漆涂料等；

放射性氡气：放射性的氡气来自于建筑材料或者建筑地基，会持续性的散发放射性气体，放射性气体浓度过高会导致细胞癌变和基因突变，对孕妇、婴幼儿影响尤其严重；

氨氮化合物：室内的氨氮化合物主要为氨气，氨气会对呼吸***和粘膜***造成破坏，而室内的氨气主要是由建筑材料产生的。

粉尘细菌：有很多呼吸道疾病都是由空气中粉尘上所携带的细菌引起的，对人类有很大威胁。

目前市面上的空气吸附材料，以活性炭和其它工业吸附材料为主，活性炭为物理吸附，其效果并不能令人满意。而其它一些工业制造的吸附材料如硅胶、分子筛等，其吸附效果好，但是其本身难以降低，不环保且成本较高。因此急需开发一种具有高吸附效力，同时天然环保的吸附材料。

发明内容

针对上述问题，本发明通过生物学方法制备得到一种高效吸附材料，其具有超高吸附效力和杀菌效果，同时其原料天然环保，制备条件简单温和。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高效空气吸附材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将针叶树未漂白牛皮浆的浆料进行精制处理后脱液浓缩，浓缩液中加入氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；

（2）在步骤1的纤维浆粕加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，加入双轴混炼机中在2000rpm的螺杆转速下解纤得到微纤丝植物纤维浆料；

（3）将步骤1的纤维浆粕与发酵母液搅拌混合，接入木醋杆菌，通气培养1-3天，加入步骤2的微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养1-3天，得到细菌纤维素交联的胶状液体；

（4）将步骤3得到的胶状液体中，加入填充剂搅拌均匀后，加入1-5％的NaOH溶液，加热到60-80℃，处理1-4小时，过滤清洗干净造粒，即得高效空气吸附材料。

进一步地，其中步骤2中硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.1-0.5mol/L，硝酸镧浓度为0.001-0.005mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：1-5体积比。

进一步地，其中步骤2中得到的微纤丝植物纤维浆料的的平均纤维直径为100nm-200nm。

进一步地，其中步骤3中细菌纤维素的纤维束平均直径为40-60nm，单根纤维的平均直径为4-10nm。

进一步地，其中步骤3中发酵母液为10％的碳水化合物类原料、0.5％的硫酸铵组成，加水加热溶解，pH值调节到4-6，接种酵母菌，酵母菌接种量为0.3-0.5％，进行发酵，发酵温度保持28-32℃，培养36-72小时后，采用超高温瞬时灭菌所得。

进一步地，其中步骤3中木醋杆菌的接种量为15-20%。

进一步地，其中步骤3中纤维浆粕与微纤丝植物纤维浆料的加入比例为1:1。

进一步地，其中步骤4中填充剂为硅藻土、碱土金属氧化物、膨润土、分子筛、聚合物的一种或几种混合物，胶状液体与填充剂的质量为1-2:1。

进一步地，其中步骤4中胶状液体与NaOH溶液的质量比为1-2：1。

本发明中的纤维原料源自木材、竹、麻、黄麻、洋麻、农作物残废物、布、再生纸浆、废纸、海鞘纤维素等天然物的物质，优选为针叶树未漂白牛皮浆的浆料NBKP，质量浓度为2%。可以为自用浆，也可以购自商品浆。自用浆的制备方法如通常的方法，如通过化学方法、机械方法或两者结合的方法，使植物纤维原料离解变成本色或漂白纸浆。

步骤1中加入NaOH溶液，进行初步浸胀，使浆料纤维蓬松化，NaOH的浓度没有特别限制。通过80℃反应1小时后，使用柠檬酸或其它较温和的酸进行中和后，进行浓缩。制备得到的纤维浆粕中粗纤维的平均直径在0.1-2mm左右，粗纤维主要利用其机械强度，支撑整个纤维复合体系，不添加粗纤维将导致复合纤维体系坍塌，在后面的制备纳米级别的纤维凝聚在一起，从而不能实现本发明的技术效果。

步骤2为微纤化步骤。在该步骤中加入一定量的硝酸银和硝酸镧混合溶液，通过引入这银离子和镧离子，通过在解纤过程中，粗大的纤维解纤成较细的微纤化纤维束，比表面积急剧增大，同时利用微纤化纤维表面上丰富的羟基捕获银离子和镧离子，实现这两种离子的负载和掺杂。在微纤化纤维表面上络合的金属离子，在一定浓度范围内，络合强度大，抗菌活性降低，从而不影响后续的步骤的制备。硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.1-0.5mol/L，硝酸镧浓度为0.001-0.005mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：1-5体积比。通过上述比例能够实现银离子和镧离子按一定比例和浓度负载到纤维束上，过大的负载量将导致后续过程离子过强的抗菌性，从而不利于后续步骤3中细菌纤维素的产生，过小的负载量不能实现本发明的技术效果。同时镧离子与银离子优选按一定浓度配比，从而实现最佳的抗菌性。微纤丝化植物纤维的平均直径为20-200nm，优选为平均直径为100-120nm的微纤丝化植物纤维，也可以对微纤化植物纤维进行改性，如阳离子、极性基团修饰等，也在本发明的考虑范围内。

步骤3为多尺度纤维复合步骤。在该步骤中，通过加入纤维浆粕、微纤丝植物纤维浆料，并通过细菌纤维素的制备，从而不同尺度材料的组合。纤维浆粕的粗纤维直径为0.1-2mm。微纤丝植物纤维浆料包含100-120nm的微纤丝化植物纤维。细菌纤维素纤维是由直径3～4纳米的微纤组合成40～60纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构。在制备过程中，通过混合纤维浆粕与发酵母液，在接入一定量的木醋杆菌，在通气培养一定时间后，是木醋菌大量稳定的繁殖，在加入微纤化植物纤维浆料，从而实现细菌纤维素在粗纤维与微纤化的空隙之间大量生成，填补空隙。由于微纤化植物纤维负载有一定的金属离子，因此具有一定的抗菌性，因此微纤化植物浆液在通气培养稳定后再加入。发酵母液为10％的碳水化合物类原料、0.5％的硫酸铵组成，加水加热溶解，pH值调节到4-6，接种酵母菌，酵母菌接种量为0.3-0.5％，进行发酵，发酵温度保持28-32℃，培养36-72小时后，采用超高温瞬时灭菌所得。木醋杆菌的接种量为15-20%。纤维浆粕与微纤丝植物纤维浆料的加入比例为1:1。制备得到的液体呈现黄色胶状。

步骤4为填充成型步骤。通过加入填充剂，从而稳定步骤3制备的复合纤维材料的结构，并降低成本，更容易成型使用。填充剂为硅藻土、碱土金属氧化物、膨润土、分子筛、聚合物的一种或几种混合物，胶状液体与填充剂的质量为1-2:1。搅拌之后，呈现糊状。之后加入一定浓度的NaOH溶液，破解细菌纤维素形成的胶状形态，从而实现复合纤维材料与填充剂更好的贴合在一起，也更利于过滤成形，同时加入NaOH溶液，使负载在纤维表面上的金属离子形成氢氧化物形态，并加热进一步形成氧化物形态，从而起到稳定的作用，增强抗菌的效用时间。

本发明的制备材料环保可降解，对环境无两次污染，可以用于空气净化机的吸附材料。使用完毕后，

由于PM2.5的微粒直径在2.5um左右比一般的吸附材料的孔径要大的多，难以吸附，而本发明通过以粗纤维为骨架，微纤化纤维和细菌纤维为网兜，能够有效的捕获空气中PM2.5，并具有对其有害病菌杀菌功能。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过生物学方法制备得到一种高效吸附材料，通过多维度尺度的纤维复合，从而实现增大比表面积和缩小过滤通道，并且微纤化纤维和细菌纤维具有丰富的表面活性基团，实现对PM2.5等有害微粒的超强吸附能力，同时负载有纳米金属离子，使其具有超高吸附效力和杀菌效果，同时其原料天然环保，制备条件简单温和。

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

实施例中所用填充剂为硅藻土，购自和氏璧化工的硅藻土C499。

针叶树未漂白牛皮浆的浆料购自智利ARRACO公司出产的银星。

实施例1

一种高效空气吸附材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将2质量%的针叶树未漂白牛皮浆的浆料在单磨机进行精制处理后，脱液浓缩至10质量%，浓缩液中加入5%的氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；

（2）在步骤1的纤维浆粕加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，加入双轴混炼机中在2000rpm的螺杆转速下解纤15分钟得到微纤丝植物纤维浆料，硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.3mol/L，硝酸镧浓度为0.003mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：3体积比。；

（3）将步骤1的100体积的纤维浆粕与100体积的发酵母液搅拌混合，接入15%的木醋杆菌，通气培养2天，加入步骤2的100体积的微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养2天，得到细菌纤维素交联的胶状液体；

（4）将步骤3得到的100质量份的胶状液体中，加入100质量份的填充剂搅拌均匀后，加入100质量份的3％的NaOH溶液，加热到60-80℃，处理2小时，过滤清洗干净造粒，即得高效空气吸附材料。

实施例2

一种高效空气吸附材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将2质量%的针叶树未漂白牛皮浆的浆料在单磨机进行精制处理后，脱液浓缩至10质量%，浓缩液中加入5%的氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；

（2）在步骤1的纤维浆粕加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，加入双轴混炼机中在2000rpm的螺杆转速下解纤15分钟得到微纤丝植物纤维浆料，硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.1mol/L，硝酸镧浓度为0.001mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：1体积比。；

（3）将步骤1的100体积的纤维浆粕与100体积的发酵母液搅拌混合，接入15%的木醋杆菌，通气培养2天，加入步骤2的100体积的微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养2天，得到细菌纤维素交联的胶状液体；

（4）将步骤3得到的100质量份的胶状液体中，加入100质量份的填充剂搅拌均匀后，加入100质量份的3％的NaOH溶液，加热到60-80℃，处理2小时，过滤清洗干净造粒，即得高效空气吸附材料。

实施例3

一种高效空气吸附材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将2质量%的针叶树未漂白牛皮浆的浆料在单磨机进行精制处理后，脱液浓缩至10质量%，浓缩液中加入5%的氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；

（2）在步骤1的纤维浆粕加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，加入双轴混炼机中在2000rpm的螺杆转速下解纤15分钟得到微纤丝植物纤维浆料，硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.5mol/L，硝酸镧浓度为0.005mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：5体积比。；

（3）将步骤1的100体积的纤维浆粕与100体积的发酵母液搅拌混合，接入20%的木醋杆菌，通气培养3天，加入步骤2的100体积的微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养3天，得到细菌纤维素交联的胶状液体；

（4）将步骤3得到的100质量份的胶状液体中，加入100质量份的填充剂搅拌均匀后，加入100质量份的3％的NaOH溶液，加热到60-80℃，处理2小时，过滤清洗干净造粒，即得高效空气吸附材料。

实施例4

一种高效空气吸附材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将2质量%的针叶树未漂白牛皮浆的浆料在单磨机进行精制处理后，脱液浓缩至10质量%，浓缩液中加入5%的氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；

（2）在步骤1的纤维浆粕加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，加入双轴混炼机中在2000rpm的螺杆转速下解纤15分钟得到微纤丝植物纤维浆料，硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.3mol/L，硝酸镧浓度为0.003mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：3体积比。

（3）将步骤1的100体积的纤维浆粕与100体积的发酵母液搅拌混合，接入15%的木醋杆菌，通气培养1-3天，加入步骤2的100体积的微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养1-3天，得到细菌纤维素交联的胶状液体；

（4）将步骤3得到的200质量份的胶状液体中，加入100质量份的填充剂搅拌均匀后，加入100质量份的1-5％的NaOH溶液，加热到60-80℃，处理2小时，过滤清洗干净造粒，即得高效空气吸附材料。

对比例1

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤2中不加入硝酸银和硝酸镧。

对比例2

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤2中不加入硝酸银。

对比例3

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤2中不加入硝酸镧。

对比例4

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤3中不加入微纤丝化植物纤维浆液。

对比例5

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤3中不加入纤维浆粕。

对比例6

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤3中不加入发酵母液和木醋杆菌，即不加入细菌纤维素。

对比例7

与实施例1的制备工艺基本相同，步骤4中不加入填充剂。

对比例8

步骤4中按1比1的比例混有纤维浆粕和填充剂，干燥后进行测试。

吸附材料的吸附测定：

使用含有0.5mg/m³PM2.5颗粒的实验气体以0.5m/s的流速流过装满有试验吸附材料的过滤器，过滤器的厚度为0.1m，测定吸附率。

根据GB/T 21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》进行试验，计算吸附材料的抗菌率，测试菌种为大肠杆菌。

表1 测定结果

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5	对比例6	对比例7	对比例8
													PM2.5吸附率	98	98	95	97	97	97	98	73	61	83	-	57
抗菌率	98	97	95	95	19	56	87	24	89	82	-	18

通过对比实施例与对比例可以发现，银离子和镧离子按一定比例添加具有协同增效杀菌的效果；不添加填充剂，产品难以成型，而过多的添加复合纤维，对吸附效率没有明显提升；通过不同尺度的纤维复合，实现了对PM2.5的最大化吸收。

以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种高效空气吸附材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)将针叶树未漂白牛皮浆的浆料进行精制处理后脱液浓缩，浓缩液中加入氢氧化钠溶液，混合搅拌，升温到80℃反应1小时后，中和浓缩至25重量％浓度的纤维浆粕；

(2)在步骤1的纤维浆粕加入硝酸银和硝酸镧混合溶液进行充分混合后，加入双轴混炼机中在2000rpm的螺杆转速下解纤得到微纤丝植物纤维浆料；所述硝酸银和硝酸镧混合溶液中硝酸银浓度为0.1-0.5mol/L，硝酸镧浓度为0.001-0.005mol/L；纤维浆粕与混合溶液的配比为100：1-5体积比；

(3)将步骤1的纤维浆粕与发酵母液搅拌混合，接入木醋杆菌，通气培养1-3天，加入步骤2的微纤丝植物纤维浆料搅拌均匀，静态培养1-3天，得到细菌纤维素交联的胶状液体；所述发酵母液为10％的碳水化合物类原料、0.5％的硫酸铵组成，加水加热溶解，pH值调节到4-6，接种酵母菌，酵母菌接种量为0.3-0.5％，进行发酵，发酵温度保持28-32℃，培养36-72小时后，采用超高温瞬时灭菌所得；

(4)将步骤3得到的胶状液体中，加入填充剂搅拌均匀后，加入相对填充剂质量的1-5％的NaOH溶液，加热到60-80℃，处理1-4小时，过滤清洗干净造粒，即得高效空气吸附材料。

2.根据权利要求1所述的高效空气吸附材料的制备方法，其中步骤2中得到的微纤丝植物纤维浆料的的平均纤维直径为100nm-200nm。

3.根据权利要求1所述的高效空气吸附材料的制备方法，其中步骤3中细菌纤维素的纤维束平均直径为40-60nm，单根纤维的平均直径为4-10nm。

4.根据权利要求1所述的高效空气吸附材料的制备方法，其中步骤3中木醋杆菌的接种量为15-20％。

5.根据权利要求1所述的高效空气吸附材料的制备方法，其中步骤3中纤维浆粕与微纤丝植物纤维浆料的加入体积比例为1:1。

6.根据权利要求1所述的高效空气吸附材料的制备方法，其中步骤4中填充剂为硅藻土、碱土金属氧化物、膨润土、分子筛、聚合物的一种或几种混合物，胶状液体与填充剂的质量比为1-2:1。

7.根据权利要求1所述的高效空气吸附材料的制备方法，其中步骤4中胶状液体与NaOH溶液的质量比为1-2：1。