CN113694892A - 一种碳气凝胶复合结构和复合滤芯、二者的制备方法及其用途 - Google Patents

一种碳气凝胶复合结构和复合滤芯、二者的制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳气凝胶复合结构，其由表及里具有多级孔道结构，依序由大孔碳气凝胶外层、介孔碳气凝胶中间层及微孔碳气凝胶里层构成，所述大孔、介孔及微孔碳气凝胶的质量比为(0.5～6):(0.8～10):(1～15)。同时还公开了一种包含碳气凝胶复合结构的复合滤芯；以及上述碳气凝胶复合结构和复合滤芯在去除烟草烟雾中有害气体，尤其是二手烟、三手烟中尼古丁、甲醛、甲苯中的用途。本发明的碳气凝胶复合结构具有大孔、介孔、微孔材料形成的多级孔道互通的组合结构，结构设计合理且稳定，可高效的，多层次地选择性吸附去除烟草烟雾中有害气体，尤其尼古丁、甲醛、甲苯等，具有重要的环境保护作用和良好的市场应用前景。

Description

一种碳气凝胶复合结构和复合滤芯、二者的制备方法及其 用途
技术领域
本发明涉及吸附材料领域，具体涉及一种碳气凝胶复合结构和复合滤芯、二者的制备方法及其用途。
背景技术
随着工业的不断发展，人民生活水平的不断提高以及家居环保意识的普及，人们对于室内空气污染给予越来越多的关注。目前最严重和危害最广泛的室内空气污染为二手烟，亦称环境烟草烟雾，是指由卷烟或其它烟草产品燃烧端产生的及由吸烟者呼出的烟草烟雾(支流烟)混合形成。全球有近13亿人是活跃的吸烟者，他们通过二手烟间接影响更多非吸烟者。仅中国就有超过7亿的二手烟受害者。约90％的肺癌病例是由吸烟引起的。香烟烟雾还会导致其他疾病，包括肺部疾病、心血管疾病和中风，以及发育缺陷。近年来也有充分的证据表明二手烟会导致肺癌，例如尼古丁、甲醛和甲苯，这些物质或其衍生物对人类都具有强致癌性。据《儿童呼吸健康科普***》指出，二手烟污染的比例(38.3％)已经超过新房室内装修(30.11％)和厨房烹调污染(23.5％)，成为中国室内环境问题的首要问题。处理二手烟的传统方法是通过通风处理达到缓解的效果，但这些有毒有害物质可以残留在各种织物、墙壁、地毯、家具等物体表面，并在室内长期缓慢地释放，形成三手烟。
三手烟是指吸烟后残留在室内和车内物体表面和灰尘中的烟雾污染物，三手烟的重要特征是其中某些化合物可与空气中的某些成份发生化学反应，生成新的有害物质，比如，三手烟中的尼古丁和环境中的亚硝酸反应可生成几种所谓的烟草特有亚硝胺。亚硝酸可来自室内像煤气灶这样的燃烧装置，而烟草特有亚硝胺具有很强的致癌性。尼古丁也可和空气中的臭氧反应产生新的有毒化合物如甲醛等。因此，随着时间的推移，三手烟的毒性和危害将愈加严重。三手烟被认为是隐型的“健康杀手”，目前的研究结果显示，三手烟中含有包括尼古丁、多环芳烃、亚硝胺、苯等近一百多种化合物，其中有不少是已知的致癌物。2014年在南京市开展的一项烟雾污染调查，发现三手烟污染普遍存在于与南京市民生活密切相关的住宅、公共场所和交通工具等场所，甚至包括无烟或者禁烟的环境(张书星等，2014年南京市部分场所三手烟污染现况研究，中华预防医学杂，2015,49(01):31-35.)。据相关研究表明，室内残留的三手烟在室内能够残留数周、数月甚至数年，会对人体健康产生危害。传统的吸附材料对于缓慢释放的三手烟污染物尚没有有效的治理手段，因此开发出一种新型有效的吸附烟草烟雾的材料显得尤为重要。
碳气凝胶是一种具有三维纳米网络结构的轻质多孔碳材料，在绝热、电化学、吸附、催化等领域具有广阔的应用前景。碳气凝胶材料有着巨大的比表面积和丰富的微孔、介孔结构，这些独特的物理特性非常有利于其吸附功能的开发。碳气凝胶在最优条件下，对于工业废水中汞、铬等重金属离子的吸附效率可以接近100％；负载有Fe3O4的碳气凝胶对于水中的有机物(亚甲基蓝、对硝基苯)的去除率可以超过90％，表明碳气凝胶对于液相污染物有着很好的处理效果。然而，在气相污染物的治理方面，尤其是在烟草烟雾的吸附方面仍然没有得到有效的开发应用。碳气凝胶的物理特性、纳米结构为其吸附应用提供了有力的支撑，对其表面化学性质进一步优化设计是进一步提升其吸附性能的关键。由于烟草烟雾中的污染物甲醛、甲苯为极性化合物，吸附剂对它们的吸附会受到自身表面官能团的性质和数量的影响。因此，需要对碳气凝胶做进一步的改性，增加其表面官能团进而提高其对烟草烟雾主要成分的吸附性能。
传统的吸附材料如活性炭，虽然制备工艺简单、成本低廉，但对不同的烟草烟雾污染物很难做到综合的吸附效果，因此针对烟草烟雾这种多成分的混合污染物的控制需要一种多层次选择吸附的吸附材料。
发明内容
基于上述原因，本发明的目的在于提供一种碳气凝胶复合结构和包含其的复合滤芯、其制备方法以及两者在吸附烟草烟雾中有害气体，尤其是二手烟、三手烟中尼古丁、甲醛、甲苯中的用途。本发明的碳气凝胶复合结构具有不同孔径的的大孔、介孔、微孔材料形成的多级孔道互通的组合结构，对于烟草烟雾中不同粒径、不同化学性质的气体污染物能够达到高效的、多层次的选择性吸附。
本发明提供了一种碳气凝胶复合结构，其由表及里具有多级孔道结构，包括大孔碳气凝胶外层、介孔碳气凝胶中间层及微孔碳气凝胶里层。
在一些实施方案中，大孔碳气凝胶的孔径为50～80nm。
在一些实施方案中，介孔碳气凝胶的孔径为4～10nm。
在一些实施方案中，微孔碳气凝胶的孔径为1～2nm。
在一些实施方案中，大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶及微孔碳气凝胶的质量比为(0.5～6):(0.8～10):(1～15)。
一种制备上述碳气凝胶复合结构的方法，包括以下步骤：
S1.将1～3质量份的碳气凝胶、10～15质量份的柠檬酸、8～12质量份的尿素混合溶于200～800质量份的纯水中，搅拌使其混合均匀，得到混合液；
S2.将S1中的混合液在150～180℃下加热6～10h，其后再冷却至室温，得到混合物；
S3.将S2得到的混合物在6000～8000rpm下离心，离心后取下层沉淀物；
S4.将S3得到的沉淀物用纯水洗涤，去除残留在沉淀物上的杂质；
S5.将S4得到的沉淀物在-40～-60℃下冷冻干燥，得到改性碳气凝胶；
S6.将步骤S5中得到的改性碳气凝胶，通过孔径筛选分别得到大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶以及微孔碳气凝胶；
S7.将S6中的大孔、介孔及微孔碳气凝胶由表及里分别固定在三层模块框架中，得到碳气凝胶复合结构。
本发明还提供了一种复合滤芯，其包括上述碳气凝胶复合结构以及设置于大孔碳气凝胶外层前部的HEPA滤网。
在一些实施方案中，HEPA滤网厚度为5cm～8cm。
本发明还提供了一种制备上述复合滤芯的方法，其包括上述S1到S7的步骤，还包括在所述碳气凝胶复合结构的大孔碳气凝胶外层的前部设置HEPA滤网，得到复合滤芯。
本发明还提供了一种上述碳气凝胶复合结构用于去除烟草烟雾(二手烟、三手烟)中有害气体的用途。
在一些实施方案中，有害气体为尼古丁、甲醛、甲苯。
本发明还提供了一种上述复合滤芯用于去除烟草烟雾(二手烟、三手烟)中有害气体及净化颗粒的用途。
在一些优选实施方案中，有害气体为尼古丁、甲醛、甲苯。
本发明的制备方法工艺新颖，制得的碳气凝胶复合结构具有较好的机械强度和低密度、高孔隙率以及优异的吸附性能，可以适用于吸附空气中的各种有害气体，尤其对于烟草烟雾污染物能够达到高效的、多层次的选择性吸附。本发明制得的复合滤芯，对颗粒物的净化效率高，使用寿命长，特别是烟草烟雾污染物的去除效率极高。具有重要的环境保护作用。
附图说明
图1为本发明的碳气凝胶复合结构示意图
图2为本发明的复合滤芯的基本结构示意图
图3为本发明的碳气凝胶复合结构及复合滤芯的制备方法的流程图
图4为本发明的碳气凝胶复合结构对甲苯蒸气的吸附效果图
图5为本发明的碳气凝胶复合结构对甲醛蒸气的吸附效果图
图6为本发明的复合滤芯对甲苯蒸气的吸附效率图
图7为本发明的复合滤芯对甲醛蒸气的吸附效率图
图8为本发明的复合滤芯对颗粒物的净化效率图
附图标号说明：
1.大孔碳气凝胶外层；2.介孔碳气凝胶中间层；3.微孔碳气凝胶里层；4.HEPA滤网。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中所用的材料，如无特殊说明，均可由自由市场获得。
本发明提供了一种碳气凝胶复合结构，如图1所示，其依序由大孔碳气凝胶外层1、介孔碳气凝胶中间层2及微孔碳气凝胶里层3构成，三层碳气凝胶由外及里分别固定在三层模块框架中，可以采用三明治填充方式进行固定，其中大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶及微孔碳气凝胶的质量比为(0.5～6):(0.8～10):(1～15)。大孔碳气凝胶的孔径为50～80nm，形态可以为粉末状、颗粒状；介孔碳气凝胶的孔径为4～10nm，形态可以为粉末状、颗粒状；微孔碳气凝胶的孔径为1～2nm，形态可以为粉末状、颗粒状。其中碳气凝胶复合结构的甲苯蒸汽最大吸附量大于250mg/g；优选大于430mg/g；甲醛蒸汽最大吸附量大于145mg/g；优选大于160mg/g；对于二手烟中尼古丁的吸附量为每小时7.5mg/kg；对于三手烟中尼古丁的吸附量为每小时0.43mg/kg。
本发明的复合滤芯，如图2所示，包括依序由大孔碳气凝胶外层1、介孔碳气凝胶中间层2及微孔碳气凝胶里层3构成的碳气凝胶复合结构，以及设置于大孔碳气凝胶外层1前部的HEPA滤网4。其中复合滤芯对2.47mg/m3的甲苯的吸附效率大于94％；对1.24mg/m3的甲醛的吸附效率大于96％；对颗粒物的净化效率大于99％。
图3展示了制备本发明的碳气凝胶复合结构及复合滤芯的方法的流程图。如图3中所示，本发明的制备碳气凝胶复合结构的方法包括以下步骤：S1.将1～3质量份的碳气凝胶、10～15质量份的柠檬酸、8～12质量份的尿素混合溶于200～800质量份的纯水中，搅拌15min使其混合均匀，得到混合液；S2.将S1中的混合液在150～180℃下加热6～10h，其后再冷却至室温，得到混合物；S3.将S2得到的混合物在6000～8000rpm下离心10～30min，离心后取下层沉淀物；S4.将S3得到的沉淀物用纯水洗涤，去除残留在沉淀物上的杂质；S5.将S4得到的沉淀物在-40～-60℃下冷冻干燥12～36h，得到改性碳气凝胶；S6.将S5得到的改性碳气凝胶通过100～200目的网筛，根据孔径筛选分别得到大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶及微孔碳气凝胶；S7.将S6中的得到的大孔、介孔、微孔碳气凝胶按照质量比(0.5～6)：(0.8～10)：(1～15)，由外及里分别固定在三层模块框架中的网格内，得到本发明的碳气凝胶复合结构。进一步地，在上述碳气凝胶复合结构的三层模块框架大孔碳气凝胶外层1的前部设置HEPA滤网4，即可得到如图2所示结构的复合滤芯。
实施例1
本实施例以碳气凝胶、柠檬酸、尿素、纯水为原料，制备碳气凝胶复合结构，具体步骤如下：
(1)将0.1g的碳气凝胶、1g的柠檬酸和0.8g尿素混合溶于20g的纯水中，搅拌15min，使碳气凝胶、柠檬酸、尿素均匀分散在纯水中，得到混合液；
(2)将(1)中的混合液在160℃下加热8h，其后再冷却至室温，得到混合物；
(3)将(2)中的混合物以7000rpm的转速离心25min，离心后取下层沉淀物；
(4)将(3)中的沉淀物用纯水洗涤4次，去除残留在沉淀物上的杂质；
(5)将(4)中的沉淀物在-60℃下冷冻干燥24h，得到改性碳气凝胶；
(6)将(5)中的碳气凝胶通过100目的网筛得到粒径统一并且完整的改性碳气凝胶，根据孔径筛选分别得到大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶及微孔碳气凝胶。
实施例2
将实施例1中的大孔、介孔及微孔碳气凝胶在质量比(0.5～6)：(0.8～10)：(1～15)范围内，按照比如：5:8:10、1:2:4、1:3:3、1:3:5、1:4:2、1:4:3、2:2:3、2:2:5、2:3:2、2:3:3、2:3:4、3:2:2、4:7:8或6:10:15等的质量比，由外及里分别固定在三层模块框架中的网格内，分别得到不同质量比的碳气凝胶复合结构。
进一步地，如图2所示，将分装有碳气凝胶的三层模块框可拆卸地安装于一种复合滤芯框架内，在三层模块框的大孔碳气凝胶外层1的前部设置有HEPA滤网4，滤网厚度为5～8cm，得到复合滤芯。
实施例3
为了探究利用本发明方法制备的碳气凝胶复合结构吸附甲苯蒸气的效果，本实施例选取实施例1中所制备的任意一种碳气凝胶复合结构(不含模块框)，依据GBT12496.5-1999(参照木质活性炭试验方法)方法对其进行测试。具体方案如下：
(1)称取质量为m(5g)的所得碳气凝胶复合结构(不含模块框)作为吸附材料，加入到干燥至恒重的石英玻璃箱中，称重装有吸附材料的石英玻璃箱并将其质量记录为m0。
(2)将装有吸附材料的石英玻璃箱连入测试装置中，保持含有甲苯蒸气的混合气体流量为1000±10mL/min，环境温度设定为25±2℃，开始测试。在测试开始后的第0.5h、1h、2h、3h、4h……称量石英玻璃箱及内含物的总质量，分别记为m1、m2、m3、m4、m5……，直至前后两次质量变化Δm在±1mg范围内，则结束实验。
(3)根据以下公式，以mg/g为单位计算吸附材料的甲苯蒸气吸附量：
Figure BDA0003233996420000061
其中M为(m1、m2、m3、m4、m5……)中的一个。
(4)以测试开始后的时间为横坐标，甲苯蒸气吸附量为纵坐标，绘制曲线。
图4展示了实施例1中所制备的碳气凝胶复合结构对甲苯蒸气的吸附效果图。如图4中所示，碳气凝胶复合结构能够快速且大量地吸附甲苯蒸气，其甲苯蒸气吸附数据(单位为mg/g)见下表1。
表1
Figure BDA0003233996420000062
实施例4
为了探究利用本发明方法制备的碳气凝胶复合结构吸附甲醛蒸气的效果，本实施例选取实施例1中所制备的任意一种碳气凝胶复合结构(不含模块框)，依据GBT12496.5-1999(参照木质活性炭试验方法)方法对其进行测试。具体方案如下：
(1)称取质量为m(5g)的所得碳气凝胶复合结构(不含模块框)作为吸附材料，加入到干燥至恒重的石英玻璃箱中，称重装有吸附材料的石英玻璃箱并将其质量记录为m0。
(2)将装有吸附材料的石英玻璃箱连入测试装置中，保持含有甲醛蒸气的混合气体流量为1000±10mL/min，环境温度设定为25±2℃，开始测试。在测试开始后的第0.5h、1h、2h、3h、4h……称量石英玻璃箱及内含物的总质量，分别记为m1、m2、m3、m4、m5……，直至前后两次质量变化Δm在±1mg范围内，则结束实验。
(3)根据以下公式，以mg/g为单位计算吸附材料的甲醛蒸气吸附量：
Figure BDA0003233996420000071
其中M为(m1、m2、m3、m4、m5……)中的一个。
(4)以测试开始后的时间为横坐标，甲醛蒸气吸附量为纵坐标，绘制曲线。
图5展示了实施例1中所制备的碳气凝胶复合结构对甲醛蒸气的吸附效果图。如图5中所示，碳气凝胶复合结构能够快速且大量地吸附甲醛蒸气，其甲醛蒸气吸附数据(单位为mg/g)见下表2。
表2
Figure BDA0003233996420000072
实施例5
为了探究利用本发明方法制备的碳气凝胶复合结构吸附二手烟中尼古丁的效果，本实施例选取实施例1中所制备的任意一种碳气凝胶复合结构(不含模块框)，对其效果进行测试。具体方案如下：
(1)称取质量为1g的所得碳气凝胶复合结构(不含模块框)作为吸附材料，放入自制的香烟烟雾暴露箱(1m×1m×1m)，烟雾暴露室一端连接空气驱动泵，一端与吸烟室相连。
(2)选取红塔山经典1956香烟(每支含焦油量10mg、烟气烟碱量1mg)作为实验材料。点燃一支香烟，置于吸烟室内。打开空气驱动泵，控制吸烟室中点燃的香烟烟雾进入暴露室。待第一支香烟完全燃烧后，继续点燃第二支置于吸烟室，重复此步骤直至10支香烟全部燃烧用尽。关闭空气驱动泵及吸烟室和暴露室之间的连接，将吸附材料在暴露室二手烟环境中静置暴露5小时。
(3)将吸附饱和的吸附材料用5％的甲醇溶液进行洗脱，用气相色谱分析被吸附化合物的浓度并计算二手烟中尼古丁的吸附容量。
最终计算得到碳气凝胶复合结构对于二手烟中尼古丁的吸附量为每小时7.5mg/kg。
实施例6
为了探究利用本发明方法制备的碳气凝胶复合结构吸附三手烟尼古丁的效果，本实施例选取实施例1中所制备的任意一种碳气凝胶复合结构(不含模块框)，对其效果进行测试。三手烟材料为实验室制备的经过1000天二手烟暴露的毛巾织物(平均每天0.5支万宝路)，每支万宝路香烟含煤焦油(11mg)和尼古丁(1mg)。具体方案如下：
(1)称取质量为1g的所得碳气凝胶复合结构(不含模块框)作为吸附材料，放入不锈钢制的香烟烟雾暴露室(1m×1m×1m)的底部，三手烟材料置于碳气凝胶吸附材料样品的上方5厘米，然后盖上盖子并用胶布封住，暴露吸附时间为72小时。
(2)将暴露完成后的吸附材料用5％的甲醇溶液进行洗脱，用气相色谱分析被吸附化合物的浓度，并计算碳气凝胶复合结构对三手烟尼古丁的吸附容量。
最终计算得到碳气凝胶复合结构对于三手烟尼古丁的吸附量为每小时0.43mg/kg。
实施例7
为了探究利用本发明方法制备的复合滤芯对甲苯蒸气的吸附效率，本实施例选取实施例1中所制备的复合滤芯，依据GB36893-2018(空气净化器能效限定值及能效等级)方法对其进行测试。具体方案如下：
(1)打开测试舱中的搅拌扇和循环风扇，并在气态发生装置中发生甲苯气态污染物，监测舱内的气态浓度变化。当甲苯气态污染物的浓度达到2.47mg/m3时，停止发生。保持搅拌风扇运行5min，以均匀舱内甲苯气态污染物的分布。
(2)关闭搅拌风扇10min，稳定舱内的甲苯气态污染物浓度，后续测试中，只保持循环风扇运行。
(3)测试关闭搅拌风扇10min后的甲苯气态污染物浓度记作C’0，对应的采样时间记作t0。
(4)待测试舱内的初始采样完成后，后续测试中，每5min采集1次，分别记作t5、t10、t15……实测所得的相应甲苯气态污染物的浓度分别记作C5、C10、C15……总实验时间为60min。
(5)计算得到复合滤芯1小时的气态污染物吸附效率。
Figure BDA0003233996420000091
其中，Q—甲苯气态污染物的吸附效率；C0—拟合得出的总衰减测试的初始浓度；CTe—拟合得出的总衰减测试T时刻的浓度。
图6展示了实施例1中所制备的复合滤芯对甲苯蒸气的1小时吸附效率图。如图6中所示，复合滤芯对2.47mg/m3甲苯蒸气的1小时吸附效率达到94.39％，具体的吸附效率见表3。
表3
Figure BDA0003233996420000092
实施例8
为了探究利用本发明方法制备的复合滤芯对甲醛蒸气的吸附效率，本实施例选取实施例1中所制备的复合滤芯，依据GB36893-2018(空气净化器能效限定值及能效等级)方法对其进行测试。具体方案如下：
(1)打开测试舱中的搅拌扇和循环风扇，并在气态发生装置中发生甲醛气态污染物，监测舱内的气态浓度变化。当甲醛气态污染物的浓度达到1.24mg/m3时，停止发生。保持搅拌风扇运行5min，以均匀舱内甲醛气态污染物的分布。
(2)关闭搅拌风扇10min，稳定舱内的甲醛气态污染物浓度，后续测试中，只保持循环风扇运行。
(3)测试关闭搅拌风扇10min后的甲醛气态污染物浓度记作C’0，对应的采样时间记作t0。
(4)待测试舱内的初始采样完成后，后续测试中，每5min采集1次，分别记作t5、t10、t15……实测所得的相应甲醛气态污染物的浓度分别记作C5、C10、C15……总实验时间为60min。
(5)计算得到复合滤芯1小时的气态污染物吸附效率。
Figure BDA0003233996420000093
其中，Q—甲醛气态污染物的吸附效率；C0—拟合得出的总衰减测试的初始浓度；CTe—拟合得出的总衰减测试T时刻的浓度。
图7展示了实施例1中所制备的复合滤芯对甲醛蒸气的1小时吸附效率图。如图7中所示，复合滤芯对1.24mg/m3甲醛蒸气的1小时吸附效率达到96.79％，具体的吸附效率见表4。
表4
Figure BDA0003233996420000101
实施例9
为了探究利用本发明方法制备的复合滤芯对烟草烟雾中颗粒物的净化效率，依据GB18801-2015(空气净化器)方法对其进行测试。具体方案如下：
(1)将复合滤芯装入空气净化器中，净化试验舱内的空气，使颗粒物粒径在0.3μm以上的粒子背景浓度小于1000个/L，同时启动温湿度控制装置，使试验舱内的温度和相对湿度达到规定状态。
(2)关闭空气净化器，启动搅拌风扇和循环风扇。在香烟燃烧器内点燃一支标准香烟，香烟燃烧器出口与试验舱相连接，当烟雾达到一定量后，关闭烟雾输送管的阀门，搅拌风扇再搅拌10min，使颗粒物污染物混合均匀后关闭搅拌风扇(试验过程中，循环风扇一直保持开启状态)，此时通过激光尘埃粒子计数器测定颗粒物的初始浓度C0。
(3)试验舱内的初始浓度C0测定后，开启待检验的净化器至额定状态，开启的时刻为t＝0min，同时开始取样进行测定，每2min测定并记录一次颗粒物的浓度，测定持续20min，第20min的颗粒物浓度记为C1。
(4)关闭净化器，记录试验时试验舱内的温度和相对湿度，计算出复合滤芯对颗粒物20min的净化效率Q＝1-C1/C0。
图8展示了实施例1中所制备的复合滤芯对颗粒物20min的净化效率。如图8中所示，包含碳气凝胶复合结构的复合滤芯对烟草烟雾中颗粒物20min的净化效率达到99.88％，具体的净化效率见表5。
表5
Figure BDA0003233996420000102
Figure BDA0003233996420000111
上述碳气凝胶复合结构具有较好的机械强度和低密度、高孔隙率以及优异的吸附性能，可以适用于吸附空气中的各种有害气体，尤其对于烟草烟雾污染物能够达到高效的、多层次的选择性吸附。上述包含碳气凝胶的复合滤芯，对颗粒物的净化效率高，使用寿命长，特别是对烟草烟雾污染物的去除效率极高。具有重要的环境保护作用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施例。另外，本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (13)

1.一种碳气凝胶复合结构，其特征在于，其由表及里具有多级孔道结构，包括大孔碳气凝胶外层、介孔碳气凝胶中间层及微孔碳气凝胶里层。
2.根据权利要求1所述的碳气凝胶复合结构，其特征在于，所述大孔碳气凝胶的孔径为50～80nm。
3.根据权利要求1所述的碳气凝胶复合结构，其特征在于，所述介孔碳气凝胶的孔径为4～10nm。
4.根据权利要求1所述的碳气凝胶复合结构，其特征在于，所述微孔碳气凝胶的孔径为1～2nm。
5.根据权利要求1所述的碳气凝胶复合结构，其特征在于，所述大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶及微孔碳气凝胶的质量比为(0.5～6):(0.8～10):(1～15)。
6.一种制备如权利要求1所述的碳气凝胶复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将1～3质量份的碳气凝胶、10～15质量份的柠檬酸、8～12质量份的尿素混合溶于200～800质量份的纯水中，搅拌使其混合均匀，得到混合液；
S2.将S1中的所述混合液在150～180℃下加热，其后再冷却至室温，得到混合物；
S3.将S2得到的所述混合物在6000～8000rpm下离心，离心后取下层沉淀物；
S4.将S3得到的所述沉淀物用纯水洗涤，去除残留在所述沉淀物上的杂质；
S5.将S4得到的所述沉淀物在-40～-60℃下冷冻干燥，得到所改性碳气凝胶；
S6.步骤S5中得到的所述改性碳气凝胶，通过孔径筛选分别得到所述大孔碳气凝胶、介孔碳气凝胶及微孔碳气凝胶；
S7.将S6中所述大孔、介孔及微孔碳气凝胶由表及里分别固定在三层模块框架中，得到所述碳气凝胶复合结构。
7.一种复合滤芯，其特征在于，包括权利要求1所述的碳气凝胶复合结构以及设置于所述大孔碳气凝胶外层的前部的HEPA滤网。
8.根据权利要求7所述的HEPA滤网，其特征在于，滤网厚度为5cm～8cm。
9.一种制备如权利要求7所述的复合滤芯的方法，其特征在于，其包括权利要求6所述的步骤，还包括在所述碳气凝胶复合结构的大孔碳气凝胶外层的前部设置HEPA滤网，得到所述复合滤芯。
10.一种根据权利要求1所述的碳气凝胶复合结构用于去除烟草烟雾中有害气体的用途。
11.根据权利要求10所述的用途，其特征在于，所述有害气体为尼古丁、甲醛、甲苯。
12.一种根据权利要求7所述的复合滤芯用于去除烟草烟雾中有害气体及净化颗粒物的用途。
13.根据权利要求12所述的用途，其特征在于，所述有害气体为尼古丁、甲醛、甲苯。
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