CN102463109A - 一种新型具有纳米级光催化剂的活性碳纤维 - Google Patents

Abstract

一种新型具有纳米级光催化剂的活性碳纤维及其制作方法，本发明提出了一种低浓度有机废气或臭气的净化材料及其制作方法，主要涉及所用的掺杂复合光催化材料、及附着有这种材料的载体。它为粘胶基，纤维为短纤维、织布或毡，纤维体的表面均匀附着有活性炭颗粒，在活性炭颗粒表面和颗粒间隙中均匀附着有纳米级光催化剂。本发明所采用的活性炭纤维材料除用作催化剂载体外，还兼具良好吸附作用，能将废气中未能及时被催化分解的物质起“临时”吸附作用，从而选择性地延长了污染物分子在光催化区的停留时间，有利于污染物的充分去除。

Description

一种新型具有纳米级光催化剂的活性碳纤维

技术领域

本发明涉及新型材料领域，提出了一种低浓度有机废气或臭气的净化材料及其制作方法，主要涉及所用的掺杂复合光催化材料、及附着有这种材料的载体。 

背景技术

目前，随着我国工业的迅速发展和城市人口的膨胀，恶臭气体的污染问题日趋严重，给人们的生活质量生活品质造成了严重影响，并且会直接危害人体的健康。在城市臭气来源方面，市政污水的收集与处理过程是造成臭气排放的主要原因，其中污水泵站及污水处理厂的臭气排放情况最为严重。另外，在城市生活垃圾、粪便的收集、转运等场所也会释放大量的恶臭气体，对周围的环境质量造成严重破坏，同时也影响着现代都市的形象。随着公众对生活环境质量意识的提高，针对恶臭的污染问题的投诉和抱怨的事件在急剧增加，己成为及待解决的环保问题之一。 

常规的恶臭气体治理技术主要有吸附法、吸收法和生物分解法等。但是，由于市政污水系统所释放臭气的特殊性，上述方法难以对其进行经济、有效的处理，急需开发经济有效的治理新技术。 

近年来，以半导体金属氧化物为催化剂的光催化氧化技术在废气净化领域中的应用受到关注。该技术直接利用紫外光在常温下来激活催化剂，使其表面生成自由电子（ e^-）和空穴（ H ⁺ ）对，将吸收的光能转化成化学能，即具有光催化作用。在有空气和水蒸汽存在时，催化剂表面上的自由电子或空穴分解可以与所吸附的水或水蒸气作用产生强氧化性的轻基自由基（ oH · ）、原子态的氧（ 0 · ）、臭氧（ 03 ）及过氧化氢（ H202 ）等，这些物质具有很强的氧化作用，从而将废气中的异味物质（如硫化氢、氨气等）氧化分解，达到除臭效果。 

目前二氧化钛（ Ti02 ）是最有应用价值的光催化剂，且在废气净化领域中已有应用。然而，单纯以二氧化钛作为光催化剂时只能利用波长小于 387 .5 nm 的紫外光，而对于波长较大的光则无法利用。由于自然光中波长小于 387 . 5nm 的光所占比例很小（ < 4 % ) ，因此一般的光催化剂无法有效利用自然光。而且，由于大部分的紫外光源所产生光的波长也是在一定范围分布的，其中波长大于 387 . 5nm 的光也无法得到有效利用，很大程度上造成能量浪费。在上述情况下，若能采用适当的处理方法，使光催化剂能够利用波长较宽的光源，则可使所有光能的利用效率增加，甚至可以直接利用自然光。 

此外，由于泵站或其它工业废气气体流量一般较高，在光催化净化室内的停留时间非常有限（多在 5 秒以下），而光催化反应的速度相对较慢，有些污染物还来不及与活性粒子反应。因此，需要采取适当的方法，来选择性地增加污染物分子在光催化区内的停留时间。同时在光催化剂区内也会产生少量臭氧，如何充分臭氧并减少其流失也是光催化废气净化技术的关键问题之一。 

国家知识产权局公开的申请号为 2004 10029904 . 3 ，名称为“一种纳米二氧化钦溶胶及其制备方法”的专利技术，它提供了一种具有光催化功能的纳米二氧化钦溶胶及其制备方法。但其只能在紫外光下实现光催化作用。 

发明内容

本发明针对光催化废气净化技术所存在的上述问题，提出了以活性炭纤维为光催化剂的载体，使其能在较宽光谱下实现光催化作用的具有纳米级光催化剂的活性碳纤维及其加工方法。 

本发明的技术方案是：它为粘胶基，纤维为织布或毡，在纤维体的表面均匀附着有活性炭颗粒，在活性炭颗粒表面和颗粒间隙中均匀附着有纳米级光催化剂。 

活性炭纤维装载在带有支撑网或支撑条的支撑框内形成光催化过滤层。 

本发明的加工方法，它包括如下步骤： 

1 ）将钛的有机化合物或无机化合物加入溶剂中搅拌，其中钛的有机化合物或无机化合物成为二氧化钛的重量占目标溶液总量的 3-29 % ；再把浓度为  1-10 ％的硫酸按 1 ：0.5-2 的体积比加入上述溶液，搅拌；之后调整混合液的 pH 值至 6.5 ，搅拌 5分钟，制得 A 溶液，选取改性掺杂用金属离子的可溶性硝酸盐或有机盐，将其折算为高价态金属氧化物计量，将其配制为浓度 1 -5 ％的溶液，制得 B 溶液； 

2）将 A 、 B 混合，使溶液中掺杂金属氧化物与二氧化钛重量之比为 0.02 -0.19 : 1 ，之后将混合液的 pH 值调整到7，搅拌，获得溶胶； 

3）取一定量的活性炭纤维，将其置入广口容器中，取一定体积的溶胶对活性炭纤维进行浸泡，使溶胶中的含钛、改性金属离子的溶胶以及少量铵盐逐渐沉积到碳纤维表面，浸泡时间保持在5小时左右，再将浸泡后的活性炭纤维捞出，沥干水后置入烘箱内，加温至 100℃  ，烘干； 

4）利用带有氮气保护的马弗炉，将上述干燥后的活性炭纤维在 450℃ 的无氧的环境中灼烧 3.5小时，使沉积在活性炭纤维表面上的粒子转化为纳米级的掺杂光催化剂材料，将处理后的活性炭纤维，置入支撑框内，制成厚度为 20mm 的纤维滤层。 

本发明基于光催化技术原理及吸附-反应动力学理论，运用了一些化学物质及处理方法对二氧化钛催化剂进行改良，使改造后的催化剂具有更高的光催化反应活性，并且能够利用波长较大的紫外光，甚至是自然光。用于改性的物质有钯、钨、钒、铁、镉、锆等金属氧化物以及铵盐等。为了充分发挥光催化剂的作用，本发明采用高性能的活性碳纤维为载体。由于活性碳纤维具有多孔性好、比表面积大等特点，可使催化剂均匀、稳定的分散在其表面。将载有改性光催化剂的活性炭纤维，以一定的形式置入光催化室中，在普通紫外灯的照射下即可工作。此外，本发明所采用的活性炭纤维材料除用作催化剂载体外，还兼具良好吸附作用，能将废气中未能及时被催化分解的物质起“临时”吸附作用，从而选择性地延长了污染物分子在光催化区的停留时间，有利于污染物的充分去除。 

本发明的光催化净化装置具有净化效率高、能耗低、能量利用率高、设备紧凑、净化彻底及经济性好等特点，适合于大流量、低浓度废气或恶臭气体净化。 

附图说明

图 1 是本发明在具体应用中的工作原理示意图 

图中 1 是气体出口， 2 是紫外灯管， 3 是灯架， 4 是活性炭纤维光催化剂框， 5 是粗滤网， 6 是气体进口， 7 是除臭装置外壳， 8 是气体导流板；

具体实施方式

1 ）取 500mL 浓度为 90 ％的四异丙醇钛酸酯，置入 10L 的大口容器中，并用异丙醇（化学纯 90 % ）稀释到 5L 。再缓慢加入 10 ％盐酸水溶液儿，并用电动搅拌器在 20Orpm 的转速下搅拌。之后，再用 30 ％的氨水溶液将调解上述混合液的 pH 值至 6 . 5 左右，并进行搅拌 5 分钟，制成备用的溶胶 A 溶液。 

2 ）取浓度为 40% 的草酸钒溶液 50mL ，将其稀释至 500mL 后，制成B液，将B液缓慢加到入盛装 A 溶液的容器内，并不断搅拌。再用 30%的氨水溶液将混合 pH 值调到 7 左右，继续快速搅拌制成 C液。 

3 ）称取 5 份粘胶基活性炭纤维毡，每份为 0 .8kg ；将充分搅拌后的 C液均匀地分为 5 份，分别置入广口容器中。将 5 份活性炭纤维分别置入分装后的 C液中进行浸泡，使溶液中的含钛、改性金属离子的溶胶以及少量铵盐逐渐沉积到碳纤维表面，浸泡时间控制在 5 小时左右。 

4 ）将浸泡后的活性炭纤维捞出，沥干水后置入烘箱内，在 100 ℃ 左右烘干；利用带有氮气保护的马弗炉，将上述干燥后的活性炭纤维在 450 ℃ 左右的无氧的环境中灼烧 3.5小时，使沉积在活性炭纤维表面上的粒子转化为纳米级的掺杂光催化剂材料。 

5 ）再将上述处理后的活性炭纤维，分别置入五个支撑框内 ( 1200 - 1200 ) ，制成厚度为 20mm 的纤维过滤层。 5 个过滤层与紫外灯光 ( 4 组，每组 8 个灯管，单个功率 40W ）按图 1 所示形式交替布置灯管与催化层的距离为 250mm。本发明专利中所用的的紫外灯的光源波长为在 310 -390nm 的紫外灯或采用450 -650nm 的可见光源提高光催化净化污染气体的效率。当废气从净化装置的入口经过过滤后，进入并流经光催化区时，其中的污染物在光催化的作用下被直接分解或先吸附再分解，同时还可有效地杀灭废气中的细菌、病毒等。被净化后的气体从出口排出。

Claims (1)

1.一种新型具有纳米级光催化剂的活性碳纤维，为粘胶基，纤维为短纤维，纤维体的表面均匀附着有活性炭颗粒，其特征在于，在活性炭颗粒表面和颗粒间隙中均匀附着有纳米级光催化剂，活性炭纤维装载在带有支撑网或支撑条的支撑框内形成光催化过滤层。  

2、根据权利要求 1 所述的一种新型具有纳米级光催化剂的活性碳纤维的制作方法，其特征在于，它包括如下步骤： 

1 ）将钛的有机化合物或无机化合物加入溶剂中搅拌，其中钛的有机化合物或无机化合物成为二氧化钛的重量占目标溶液总量的 3-29 % ；再把浓度为  1-10 ％的硫酸按 1 ：0.5-2 的体积比加入上述溶液，搅拌；之后调整混合液的 pH 值至 6.5 ，搅拌约 5分钟，制得 A 溶液，选取改性掺杂用金属离子的可溶性硝酸盐或有机盐，将其折算为高价态金属氧化物计量，将其配制为浓度 1 -5 ％的溶液，制得 B 溶液； 

2）将 A 、 B 混合，使溶液中掺杂金属氧化物与二氧化钛重量之比为 0.02 -0.19 : 1 ，之后将混合液的 pH 值调整到7，搅拌，获得溶胶； 

3）取一定量的活性炭纤维，将其置入广口容器中，取一定体积的溶胶对活性炭纤维进行浸泡，使溶胶中的含钛、改性金属离子的溶胶以及少量铵盐逐渐沉积到碳纤维表面，浸泡时间保持在5小时左右，再将浸泡后的活性炭纤维捞出，沥干水后置入烘箱内，加温至 100℃，烘干； 

4）利用带有氮气保护的马弗炉，将上述干燥后的活性炭纤维在 450℃ 的无氧的环境中灼烧 3.5小时，使沉积在活性炭纤维表面上的粒子转化为纳米级的掺杂光催化剂材料，将处理后的活性炭纤维，置入支撑框内，制成厚度为 20mm 的纤维滤层。 

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