CN102019189A - 用于分解甲醛的催化剂和材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于分解甲醛的催化剂和材料，该催化剂包含二氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化铜、氧化铂和氧化镁，其中按重量份数计，二氧化锰∶氧化铝∶氧化硅∶氧化铜∶氧化铂∶氧化镁＝100∶9-15∶5-7∶3-7∶0.5-2∶1-3。用于分解甲醛的材料包括该催化剂和载体。本发明的掺杂型二氧化锰催化剂能够明显增加二氧化锰在分解甲醛过程中的持久性，并能吸收一部分的二氧化碳生成物。此外，本发明通过独特的非黏合剂黏合工艺，将掺杂型二氧化锰催化剂负载于载体之上，制得的材料在常温常压的自然环境下，短时间内对甲醛的降解率可以达到90％以上，具有有效率高、降解效率稳定、可循环使用等优点。

Description

用于分解甲醛的催化剂和材料

技术领域

本发明涉及一种用于分解甲醛的催化剂，以及包含该催化剂的材料及其制备方法。具体涉及一种用于分解甲醛的掺杂型二氧化锰催化剂，以及包含该掺杂型二氧化锰催化剂的材料及其制备方法。

背景技术

据调查，人平均有80％以上的时间是在室内度过的，因而室内空气的质量直接关系到人的身体健康。甲醛(HCHO)是一种常见的室内空气污染物，主要来源于室内家具的人造板材、以甲醛为主要原料的黏合剂，以及含有甲醛成分并会向外界散发的其他各类装饰材料。甲醛为毒性较高的物质，在我国有毒化学品优先控制名单上高居第二位。长期接触低剂量甲醛容易引起慢性呼吸道疾病，新生儿体质降低，甚至引发癌症；高浓度甲醛对神经系统，免疫系统和肝脏等都有毒害。甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。

针对这种情况，各种治理甲醛的技术应运而生。金属氧化物催化技术是目前发展处于初级阶段的甲醛治理新技术。金属氧化物催化技术又称冷触媒技术，是指不需要光能，仅靠金属氧化物的强氧化性及其表面性质将甲醛吸附氧化。该技术最早由日本的Yoshika提出，他采用特定的金属氧化物(主要是过渡金属氧化物)在常温、常压、无光条件下进行了治理室内甲醛的研究。他在研究中发现在所有金属氧化物中MnO₂与甲醛具有最高的反应性，主要生成CO₂和H₂O，反应过程中没有有害的副反应气体生成。

然而，冷触媒技术中一直存在着两个主要问题，使其在治理室内甲醛领域内的应用受到很大限制：

(1)分解甲醛的二氧化锰催化剂极易失活

二氧化锰降解室内高浓度甲醛时，在开始半个小时内降解速率较高，但是半小时后，二氧化锰便会失活，丧失对甲醛的分解能力。

(2)二氧化锰催化剂在载体上的有效负载方法一直未解决。

在实际应用中，出于催化剂应处于空气循环状态中的考虑，二氧化锰催化剂需负载于不同种类的载体上。但目前该催化剂在不同载体上的有效负载的方式不多，多数负载方法负载量少、催化剂的有效裸露面积不够，甚至使用黏合剂造成甲醛的二次污染。

因此，由于冷触媒催化技术存在以上两个主要问题尚未解决，所以一直没有相关的产品问世。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够有效分解甲醛的催化剂及材料，以克服现有技术中的冷触媒技术不能实际应用于治理室内甲醛的问题。

本发明提供了一种用于分解甲醛的催化剂，该催化剂包含二氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化铜、氧化铂和氧化镁，其中按重量份数计，二氧化锰∶氧化铝∶氧化硅∶氧化铜∶氧化铂∶氧化镁＝100∶9-15∶5-7∶3-7∶0.5-2∶1-3。在上述催化剂中，二氧化锰的纯度可以为75％-99.6％。

本发明还提供了一种用于分解甲醛的材料，该材料包括上述催化剂和载体。

在上述材料中，载体优选为包含低熔点纤维和一种或多种选自聚酯纤维、聚醚纤维、脂肪族聚酰胺纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚烯烃纤维、聚乙烯醇纤维、含氯纤维、含氟纤维和碳纤维的载体纤维的非织造材料。其中，按材料的总重量计，该载体可以包含低熔点纤维10-40％，载体纤维60-90％。

用于本发明的载体的低熔点纤维(LMF)也被称之为热粘合纤维，包括低熔点聚烯烃纤维、聚酯纤维以及双组分复合纤维等。在上述材料中，低熔点纤维优选为低熔点聚酯纤维，更优选为双组分低熔点聚酯纤维，最优选为双组分皮芯型低熔点聚酯纤维，例如芯层为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)且皮层为低熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯(LMPET)的低熔点聚酯纤维。该低熔点纤维的熔点可以为110℃。该低熔点聚酯纤维是由普通聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和低熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯(LMPET)经复合纺丝而生产的纤维，其采用皮芯结构，外面是改性的低熔点聚酯，里面是普通聚酯。之所以被称之为低熔点，是因为其可以在比普通聚酯更低的温度下熔融，因此其表面具有良好的热粘合性能。用于本发明的载体的低熔点聚酯纤维，双组分低熔点聚酯纤维或双组分皮芯型低熔点聚酯纤维均可以采用本领域中已知的各种方法制得，包括但不限于中国发明专利申请200310108786.0、200410072878.2、200510094406.1、200580029336.X以及200810163542.5中公开的方法，这些专利申请引入本发明作为参考。它们也可以通过商业途径购得，例如低熔点纤维4080(ESLON，韩国世韩化纤)。

在用于本发明的载体纤维的聚酯纤维中，聚酯是由有机二元酸和二元醇缩聚而成的，以其为原料经过纺丝就得到了聚酯纤维。聚酯纤维熔点为258-263℃。上述聚酯的一个例子的结构如下：

用于本发明的载体纤维的聚烯烃纤维的一个例子为聚丙烯纤维，它是以丙烯聚合而成的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维。聚丙烯熔点为220-300℃。聚丙烯的结构如下：

在上述材料中，载体纤维优选为聚酯纤维和聚烯烃纤维。其中，按材料的总重量计，上述材料包含低熔点纤维10-40％，聚酯纤维35-60％和聚烯烃纤维25-30％。优选地，聚酯纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，聚烯烃纤维为聚丙烯纤维。

本发明还提供了一种上述材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数将二氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化铜、氧化铂和氧化镁混合，制成掺杂型催化剂；

(2)将低熔点纤维与载体纤维进行混合、梳理，同时加入掺杂型催化剂；

(3)对步骤(2)制得混合材料进行穿刺处理，然后进行热辊处理。

上述制备方法还可以包括以下步骤：

(4)对热辊处理后的材料进行烘毛整理。

在上述制备方法的步骤(2)中，按低熔点纤维与载体纤维的混合材料的面积计，加入的掺杂型催化剂的比例为130-220克/平方米。在上述制备方法的步骤(3)中，热辊处理的加热温度可以为95-150℃，压力可以为750-1950N/cm²。

在上述制备方法中，在混合梳理的过程中可以运用震动器以130-220g/m²比例均匀撒入掺杂型二氧化锰粉末，随后利用刺针的穿刺作用可以将蓬松的纤网加固成布。用针刺法制成的非织造布，内部孔隙多而且均匀，无规则，因此透气性及对粒子的截流性都较好。然后，对针刺法制成的非织造布进行热辊处理，辊设定的加热温度为95-150℃，压力为1950N/cm²以下。经过热辊处理的非织造布，利用低熔点纤维到达低熔点产生的黏性，除能使LMF材料对载体纤维，例如聚酯纤维和聚烯烃纤维部分黏合外，还能有效地固定添加的掺杂型二氧化锰粉末，并且使粉末留有充分的有效接触面积。最后，对含掺杂型二氧化锰粉末的非织造布进行烘毛整理，例如用煤气等烧掉非织造布表面凸出的浮面纤维，可以得到表面光洁的非织造布，使其具有良好的粒子截流性和滤饼剥离性。

本发明通过将多种金属氧化物混合配制成掺杂型二氧化锰催化剂，通过这样的掺杂改性，能够明显增加二氧化锰在分解甲醛过程中的持久性，并能吸收一部分的二氧化碳生成物。此外，本发明通过独特的非黏合剂黏合工艺，将掺杂型二氧化锰催化剂负载于载体之上，制得的材料在常温常压的自然环境下，短时间内对甲醛的降解率可以达到90％以上，具有有效率高、降解效率稳定、可循环使用等优点。具体而言，利用本发明所配制的掺杂型二氧化锰催化剂，能明显提高降解甲醛的效率，以及增加持久性。运用添加有LMF低熔点纤维的非织造材料为载体，能够在不使用黏合剂而不释放出甲醛的二次污染的情况下，实现催化剂粉末的牢固、稳定负载，同时成品的通风性好，粉末还有充分的有效裸露面积，成功克服了冷触媒技术的不足。该材料在常温、常压下对甲醛的降解率在3小时内均能达到90％以上。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

实施例1

(1)在纯度为75％的二氧化锰粉末中，以二氧化锰∶氧化铝∶氧化硅∶氧化铜∶氧化铂∶氧化镁＝100∶9∶5∶3∶0.5∶1的比例进行添加、混合，配制掺杂型二氧化锰催化剂。二氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化铜、氧化铂和氧化镁的熔点分别为390℃、2015℃、1728℃、1026℃、450℃和2852℃。

(2)按重量百分比计，以60％的PET聚酯纤维、30％的聚丙烯纤维及10％低熔点纤维4080(韩国世韩化纤)配制成混合材料，在混合梳理过程中以130g/m²的比例添加事先配制的掺杂型二氧化锰催化剂。

(3)对含有掺杂型二氧化锰催化剂的混合材料，利用刺针的穿刺作用，将蓬松的纤网加固成非织造材料。

(4)将针刺的非织造混合材料进行热辊处理，处理温度和压力设定为90℃、950N/cm²。最后进行烘毛整理，以便得到表面光洁的非织造材料。

(5)材料成品的质量为210g/m²，厚度为4mm，对甲醛的降解效果在3小时时能达到90.3％。

实施例2

(1)在纯度为87％的二氧化锰粉末中，以二氧化锰∶氧化铝∶氧化硅∶氧化铜∶氧化铂∶氧化镁＝100∶11∶5∶5∶1∶2的比例添加混合，配制掺杂型二氧化锰催化剂。

(2)按重量百分比，以45％的PET聚酯纤维、30％的聚丙烯纤维及25％的低熔点纤维4080(韩国世韩化纤)配制成混合材料，在混合梳理过程中，以180g/m²的比例添加事先配制的掺杂型二氧化锰催化剂。

(3)对含有掺杂型二氧化锰催化剂的混合材料，利用刺针的穿刺作用，将蓬松的纤网加固成非织造材料。

(4)将针刺的非织造混合材料进行热辊处理，处理温度和压力设定为124℃、1550N/cm²。最后进行烘毛整理，以便得到表面光洁的非织造材料。

(5)材料成品质量为300g/m²，厚度为7mm，对甲醛的降解效果在3小时时能达到90.7％。

实施例3

(1)在纯度为95％的二氧化锰粉末中，以二氧化锰∶氧化铝∶氧化硅∶氧化铜∶氧化铂∶氧化镁＝100∶14∶7∶6.5∶1.5∶2.4的比例添加混合，配制掺杂型二氧化锰催化剂。

(2)按重量百分比计，以40％的PET聚酯纤维、27％的聚丙烯纤维及33％的低熔点纤维4080(韩国世韩)配制成混合材料，在混合梳理过程中以210g/m²的比例添加事先配制的掺杂型二氧化锰催化剂。

(3)对含有掺杂型二氧化锰催化剂的混合材料，利用刺针的穿刺作用，将蓬松的纤网加固成非织造材料。

(4)将针刺的非织造混合材料进行热辊处理，处理温度和压力设定为145℃、1950N/cm²。最后进行烘毛整理，以便得到表面光洁的非织造材料。

(5)材料成品质量为360g/m²，厚度为9mm，对甲醛的降解效果3小时时能达到91％。

实施例4

分解甲醛试验：

1.试验条件：

模拟试验室：1.5m³试验舱；

2.试验方案

(1)将2.00mL甲醛放入试验舱中，挥发12小时后进行采样，记为C₀；

(2)事先将实施例3制备的本发明的材料放入舱内，风机通电分别运行1小时和3小时进行采样，记为C₁和C₂；

(3)依据GB/T18883-2002《室内空气质量标准》、GB/T18204.26-2000《公共场所空气中甲醛测定方法》检测所采集样品中的甲醛浓度。根据样品中检测出的浓度，计算出本发明的材料对甲醛的去除效率。

3.去除效率计算

去除效率＝(C₀-C)/C₀×100％(C＝C₁、C₂)

4.结果

Claims (14)

1.一种用于分解甲醛的催化剂，该催化剂包含二氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化铜、氧化铂和氧化镁，其中按重量份数计，二氧化锰∶氧化铝∶氧化硅∶氧化铜∶氧化铂∶氧化镁＝100∶9-15∶5-7∶3-7∶0.5-2∶1-3。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述二氧化锰的纯度为75％-99.6％。

3.一种用于分解甲醛的材料，该材料包括根据权利要求1所述的催化剂和载体。

4.根据权利要求3所述的材料，其特征在于，所述载体为包含低熔点纤维和一种或多种选自聚酯纤维、聚醚纤维、脂肪族聚酰胺纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚烯烃纤维、聚乙烯醇纤维、含氯纤维、含氟纤维和碳纤维的载体纤维的非织造材料。

5.根据权利要求3或4所述的材料，其特征在于，按材料的总重量计，所述材料包含低熔点纤维10-40％，载体纤维60-90％。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的材料，其特征在于，所述低熔点纤维优选为低熔点聚酯纤维，更优选为双组分低熔点聚酯纤维，最优选为双组分皮芯型低熔点聚酯纤维，例如芯层为聚对苯二甲酸乙二醇酯且皮层为低熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯的低熔点聚酯纤维。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的材料，其特征在于，所述低熔点纤维的熔点为110℃。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的材料，其特征在于，所述载体纤维为聚酯纤维和聚烯烃纤维。

9.根据权利要求8所述的材料，其特征在于，按材料的总重量计，所述材料包含低熔点纤维10-40％，聚酯纤维35-60％和聚烯烃纤维25-30％。

10.根据权利要求8或9所述的材料，其特征在于，所述聚酯纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，所述聚烯烃纤维为聚丙烯纤维。

11.一种根据权利要求1至10中任一项所述的材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数将二氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化铜、氧化铂和氧化镁混合，制成掺杂型催化剂；

(2)将低熔点纤维与载体纤维进行混合、梳理，同时加入掺杂型催化剂；

(3)对步骤(2)制得混合材料进行穿刺处理，然后进行热辊处理。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤：

(4)对热辊处理后的材料进行烘毛整理。

13.根据权利要求11或12所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，按低熔点纤维与载体纤维的混合材料的面积计，以130-220克/平方米的比例加入掺杂型催化剂。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述热辊处理的加热温度为95-150℃，压力为750-1950N/cm²。