CN111841498B - 用于除醛的胍盐改性活性炭、其制备方法、包括其的复合滤网及空气净装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于除醛的胍盐改性活性炭，其满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间。本发明还提供了这样的胍盐改性活性炭的制备方法、包括这样的胍盐改性活性炭的复合滤网以及包括这样的复合滤网的空气净化装置。通过利用本发明所提供的胍盐改性活性炭和包括其的复合滤网，能够高效地去除醛类物质，特别是空气中的甲醛(每平方米复合滤网的F‑CADR值为200m3/h以上)。

Description

用于除醛的胍盐改性活性炭、其制备方法、包括其的复合滤网 及空气净装置
技术领域
本发明涉及空气净化领域，更特别地涉及用于除醛的胍盐改性活性炭、其制备方法、包括其的复合滤网及空气净化装置。
背景技术
空气质量是世界各国特别是中国的热门话题。近年来，越来越多的家庭，更好地有孩子的家庭，喜欢购买空气净化器。他们的关注点从PM2.5转变为甲醛，甲醛是从油漆、地板和家具中释放出来的。甲醛是一种毒性很高的化合物，并且是已知的对人类过敏的化合物。此外，甲醛已被国际癌症研究机构归类为一类致癌物。WHO指导接触甲醛30分钟的标准为0.08ppm。近年来，中国公众对甲醛连续暴露对健康有害影响的认识有了很大的提高。因此，迫切需要解决人类暴露于甲醛的方案。
目前可采用吸附过滤、紫外光催化氧化、催化分解、臭氧氧化、电离/等离子体等多种技术去除甲醛。然而，吸附过滤是首选，因为其他空气净化技术的一个潜在问题是可能产生有害的中间体和二次产品。
现有技术中有很多文献提及了利用活性炭来去除甲醛的技术。例如，JP2009247978公开了一种用于吸附低级醛例如在树脂和建筑材料制备中使用的甲醛的试剂，通过将脲、硫脲、胍及其衍生物浸渍在氧化的活性炭上然后加热而获得；WO9417907公开了一种用于抵御酸性气体和甲醛的呼吸器碳；US 7737083公开了一种基于高微孔活性炭的高性能吸附剂；US2012017221公开了一种基于具有高介孔和大孔隙度的活性炭的高性能吸附剂；以及JPH03080934公开了利用碳酸胍去除低级醛的吸附剂。然而，在这些现有技术，仅仅利用活性炭的吸附性能(没有使用改性剂)或者利用改性后的活性炭的吸附性能(其改性剂本身并不能与甲醛反应)的技术或产品并不能满足当前去除甲醛的要求；而利用了能够与甲醛发生反应的改性剂对活性炭改性的技术或产品尽管除醛能力有所提高，但这些文献技术中并没有提出确保获得的改性活性炭产品能够充分去除甲醛的指标参数，更没有提出能够满足工业化用途如改性活性炭产品应用于空气净化装置的复合滤网的产品指标。
因此，本领域仍然需要提供能够确保重复去除醛类物质(尤其是甲醛)的改性活性炭技术和产品。
发明内容
鉴于现有技术状况，本发明的目的是提供不仅能够以化学反应方式去除醛类物质(尤其是甲醛)，而且能够确保通过与滤材复合后得到的复合滤网每平方米滤网面积的F-CADR值为200m3/h以上的用于除醛的胍盐改性活性炭、其制备方法、包括其的复合滤网及空气净化装置。
为此，在一个方面，本发明提供了一种用于除醛的胍盐改性活性炭，其特征在于，所述胍盐改性活性炭满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间。
在优选实施方案中，在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在45％～67％之间。
在另一个方面，本发明提供了一种制备用于除醛的胍盐改性活性炭的方法，包括：
将活性炭与胍盐水溶液混合并搅拌均匀，以使胍盐通过浸渍法负载到活性炭表面上；
在搅拌下将所得的混合物在80～100℃的温度下烘干，即得到所述胍盐改性活性炭，
其中，所述胍盐改性活性炭满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间。
在优选实施方案中，所述胍盐是碳酸胍。
在优选实施方案中，所述活性炭的孔体积保留率在45％～67％之间。
在优选实施方案中，相对于所述活性炭的质量，胍盐的负载量为7.0～23.0质量％。
在另一个方面，本发明提供了一种用于除醛的复合滤网，所述复合滤网包括滤材和复合在所述滤材上的上述胍盐改性活性炭，其中每平方米所述复合滤网的F-CADR值为200m3/h以上。
在优选实施方案中，所述胍盐改性活性炭通过涂覆或吸附复合在所述滤材上。
在优选实施方案中，所述胍盐改性活性炭在所述滤材上的负载量为200～400g/m2。
在另一个方面，本发明提供了一种空气净化装置，所述空气净化装置包括上述的复合滤网。
在优选实施方案中，所述空气净化装置是风量在350-450m3/h的空气净化器。
本发明通过对具有特定CTC值的活性炭进行胍盐改性，并且通过确保该活性炭在经过胍盐改性后具有特定的孔体积保留率，从而提供了不仅能够以化学反应方式去除醛类物质(特别是甲醛)、而且能够确保经由与滤材复合后得到的复合滤网每平方米滤网面积的F-CADR值为200m3/h以上的用于除醛的胍盐改性活性炭，并且由此提供了除醛性能优异的复合滤网以及空气净化装置。此外，通过利用本发明的胍盐改性活性炭而提供的空气净化装置在长期使用过程中不产生异味。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施方案的用于除醛的胍盐改性活性炭的制备流程图。
图2示出了根据本发明一个实施方案制备的复合滤网的示意图。
具体实施方式
经过本发明的发明人深入且广泛地研究，出乎意料地发现，在利用胍盐来改性活性炭的过程中，通过确保在胍盐改性之前活性炭的CTC值为60以上并且在胍盐改性之后活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间，这样获得的胍盐改性活性炭产品不仅能够以化学反应方式彻底去除醛类物质(特别是甲醛)，而且能够确保通过与滤材复合后得到的复合滤网的每平方米滤网面积的F-CADR值为200m3/h以上。
更具体地，本发明提供的用于除醛的胍盐改性活性炭满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间(更优选为在45％～67％之间)。
如本文中使用的，术语“除醛”意指去除醛类物质，特别是去除室内空气中的醛类物质，更特别是空气中的甲醛，以达到净化空气的目的。
如本文中使用的，术语“活性炭”意指本领域已知的具有吸附性能的活性炭。
如本文中使用的，术语“胍盐”意指化合物胍的盐类，包括但不限于碳酸盐、氯化物盐、硝酸盐等等，特别优选的胍盐是碳酸胍。
如本文中使用的，术语“CTC值”意指四氯化碳(carbon tetrachloride)值，其可以根据JIS 1474标准方法进行测定。
如本文中使用的，术语“负载量”意指经过胍盐改性的活性炭中所负载的胍盐质量相对于活性炭的质量比。在本发明中，优选地，基于活性炭的质量，胍盐的负载量为7～23％，更优选在约15.0％。
如本文中使用的，术语“孔体积”意指多孔或有孔物质中具有的孔隙的总体积，这里的孔隙包括大孔、中孔、介孔以及微孔。
如本文中使用的，术语“孔体积保留率”意指改性后的活性炭的孔体积相对于改性前活性炭的孔体积的百分比。
不受任何特定理论束缚，本发明的发明人认为，一方面，不仅需要用胍盐对活性炭进行改性，以确保改性活性炭产品能够不仅以吸附方式而且更多地以化学反应方式去除甲醛；另一方面，对于胍盐改性活性炭，在改性之前的活性炭的特定CTC值(为60以上的)指标才能够确保其用于除醛的有效孔容与吸附能力，同时改性后的活性炭的特定孔体积保留率(在22％～85％之间)才能够确保在所得的改性活性炭用于除醛的有效孔容与吸附能力，因而只有同时满足这两个指标参数的胍盐改性活性炭才能实现真正意义上的除醛，而且只有这样的胍盐改性活性炭才能够获得满足特定指标(每平方米滤网面积的F-CADR值为200m3/h以上)的复合滤网，并由此获得满足真正意义除醛要求的空气净化装置。
本发明的用于除醛的胍盐改性活性炭可以通过以下方法简单制备：将活性炭与胍盐水溶液混合并搅拌均匀，以使胍盐通过浸渍法负载到活性炭表面上；在搅拌下将所得的混合物在80～100℃的温度下烘干，即得到所述胍盐改性活性炭，其中，所述胍盐改性活性炭满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间(更优选为在45％～67％之间)。
在一个特别的实施方案中，本发明的用于除醛的胍盐改性活性炭可以通过如图1所示的流程制得：首先将所需量的胍盐如碳酸胍制成改性溶液如胍盐水溶液；然后将具有所需CTC值的活性炭(AC)放入到该溶液中(即浸渍法)或者优选地将该改性溶液受控地均匀喷洒到活性炭上(喷涂法)，最后经过在80～100℃的温度下烘干，从而获得具有所需孔体积保留率的胍盐改性活性炭。烘干样品由Micromeritic ASAP2020氮气吸附仪测量孔体积，从而得到改性后的孔体积保留率：
孔体积保留率(％)＝改性后的孔体积/改性前基炭的孔体积x 100％
本发明还提供了一种用于除醛的复合滤网，所述复合滤网包括滤材和复合在所述滤材上的上述胍盐改性活性炭，其中每平方米所述复合滤网的F-CADR值为200m3/h以上，或者所述复合滤网的F-CADR值为200m3/m2.h以上。
如本文中使用的，术语“CADR值”意指洁净空气输出比率，相应地“F-CADR值”意指经过除甲醛后的CADR值，其可以根据GB/T-18801测得。
在本发明中，优选地，胍盐改性活性炭可以通过热熔胶粘合在滤材例如无纺布滤材上。本发明对于所使用的滤材没有特别要求，其可以是本领域常规可以用于与活性炭复合而制成滤网的任何技术，例如多孔性纸板滤材、无纺布滤材等。
在本发明中，对于胍盐改性活性炭在所述滤材上的负载量没有特别限制。优选地，胍盐改性活性炭在滤材上的负载量可以为200～400g/m2。
图2示出了根据本发明一个实施方案制备的复合滤网的示意图，其中滤材是固定在支架上的无纺布，并且胍盐改性活性炭在滤材上的负载量为约300g/m2。
本发明还提供了一种包括上述的复合滤网的空气净化装置，优选是空气净化器。
实施例
以下将借助于具体实施例来举例说明本发明，但本领域技术人员理解，这些实施例并不意图限制本发明的保护范围。
在以下实施例中，如无特殊说明，所使用方法均为本领域的常规方法，所使用的材料、试剂、检测装置等均可从商业途径获得。
活性炭：可购自可乐丽、黑卡博或雅科比等公司。
胍盐：可购自国药或上海璟丰试剂公司。
滤材：使用3M公司的无纺布滤材M18或VLL100。
胍盐改性活性炭的制备(浸渍法)：
在塑料桶中，将改性剂碳酸胍溶解在水中，得到一定浓度的碳酸胍水溶液。然后，将该碳酸胍水溶液与适量的活性炭混合均匀，盖上桶盖机械翻滚半小时。最后，将所得的混合物倒入托盘，在烘箱中加热至90℃烘干，从而获得胍盐通过浸渍法负载到活性炭上的胍盐改性活性炭。实施例1-4和比较例1-6中使用的活性炭在胍盐改性前的初始CTC值和改性前的孔体积，以及在胍盐改性后的活性炭中，胍盐的负载量(基于活性炭的质量)、改性后的孔体积和孔体积保留率如下表1中所示。
胍盐改性活性炭的甲醛去除评价：
将上述的胍盐改性活性炭通过热熔胶粘合在无纺布滤材上(从而得到复合滤网，其中胍盐改性活性炭在滤材上的负载量为300g/m2，并且获得的复合滤网的面积为1.1m2。将该复合滤网安置在3M KJ455空气净化器中，根据GB/T-18801进行甲醛去除性能评价。实施例1-4和比较例1-6中获得的F-CADR值如下表1中所示。
Figure GDA0002933674540000071
通过上表1中的结果可以看出，通过胍盐改性的活性炭只有同时满足本发明所要求的指标(1)和(2)时，才能够实现不仅以化学方式彻底去除醛类物质，而且确保通过与滤材复合后得到的复合滤网的F-CADR值为200m3/m2.h以上。
更具体地，需要同时满足以下指标：
(1)改性前，活性炭的初始CTC值为60以上。
CTC值是活性炭对于挥发性有机物(VOC)的吸附能力的指标，该指标通常与甲醛吸附去除能力无关。然而，本发明的发明人研究发现，这样的CTC值能够反映活性炭的孔结构，其中即使某些活性炭在改性前本身的孔体积足够大，但是由于其孔结构或孔分布不佳，导致其CTC值小于60，这样的活性炭即使以足够的胍盐改性，也不能获得性能良好的复合滤网(例如参见比较例1和3)。此外，通过以上表1中的结果可以看出，当改性前活性炭的CTC至小于60时，即使胍盐以最优的负载量15％对该活性炭进行改性，而且即使改性后的活性炭的孔体积仍然很大，但最终获得的复合滤网的性能仍然不佳(例如参见比较例1和3)。相反，如从实施例1-4的结果可以看到的，要获得除醛性能良好的复合滤网，使用的活性炭的初始CTC值必须为60以上。
(2)胍盐改性后活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间，(更优比为45％～67％)。
通过上表1中的结果可以看出，当孔体积保留率大于85％时，其使得胍盐相对于活性炭的负载量低于7.0％，这样会导致由于胍盐的负载量不足，从而使得最终获得的复合滤网的性能不佳，即每平方米复合滤网的F-CADR值达不到要求的200m3/h以上(例如参见比较例4和5)；而当孔体积保留率小于22％时，其使得胍盐相对于活性炭的负载量高于23.0％，这样会导致由于用于改性的胍盐占据了活性炭的大量孔体积，从而使得改性后的活性炭的孔体积不足(其孔体积保留率远远小于所要求的阈值22％)，导致最终获得的复合滤网的性能不佳，即每平方米滤网的F-CADR值达不到要求的200m3/h以上(例如参见比较例2和6)。
此外，从实施例1-4的结果可以看出，从成本和复合滤网的性能综合来看，胍盐相对于活性炭的负载量可以优选在7.0～23.0％，更最佳负载量在约15％附近，这样的负载量能够在保证足够的胍盐通过化学方式去除甲醛的情况下，还能够保证使得孔体积保留率在优选的范围45％～67％(例如参见实施例1和3)。
总之，对于本发明的用于除醛的胍盐改性活性炭，只有同时满足活性炭改性前的初始CTC值为60以上且在胍盐改性后活性炭孔的体积保留率在22％～85％之间(更优比为45％～67％)，才可以获得除醛性能良好的胍盐改性活性炭，这样的胍盐改性活性炭不仅能够以化学反应方式彻底去除醛类物质，而且能够确保通过与滤材复合后得到的复合滤网的F-CADR值为200m3/m2.h以上。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于除醛的胍盐改性活性炭，其特征在于，所述胍盐改性活性炭满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间，其中所述CTC值是指根据JIS 1474标准方法测定的四氯化碳值。
2.根据权利要求1所述的用于除醛的胍盐改性活性炭，其特征在于，在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在45％～67％之间。
3.一种制备用于除醛的胍盐改性活性炭的方法，包括：
将活性炭与胍盐水溶液混合并搅拌均匀，以使胍盐通过浸渍法负载到活性炭表面上；
在搅拌下将所得的混合物在80～100℃的温度下烘干，即得到所述胍盐改性活性炭，
其中，所述胍盐改性活性炭满足以下指标：(1)在胍盐改性之前，活性炭的初始CTC值为60以上；并且(2)在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在22％～85％之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述胍盐是碳酸胍。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在胍盐改性之后，所述活性炭的孔体积保留率在45％～67％之间。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相对于所述活性炭的质量，胍盐的负载量为7.0～23.0质量％。
7.一种用于除醛的复合滤网，所述复合滤网包括滤材和复合在所述滤材上的根据权利要求1-2中任一项所述的胍盐改性活性炭或者根据权利要求3-6中任一项所述的方法制备的胍盐改性活性炭，其中每平方米所述复合滤网的F-CADR值为200m3/h以上，其中所述F-CADR值是指根据GB/T-18801测定的经过除甲醛后的洁净空气输出比率。
8.根据权利要求7所述的复合滤网，其特征在于，所述胍盐改性活性炭通过涂覆或吸附复合在所述滤材上。
9.根据权利要求7所述的复合滤网，其特征在于，所述胍盐改性活性炭在所述滤材上的负载量为200～400g/m2。
10.一种空气净化装置，所述空气净化装置包括根据权利要求7-9中任一项所述的复合滤网。
11.根据权利要求10所述的空气净化装置，其特征在于，所述空气净化装置是风量在350-450m3/h的空气净化器。
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