CN103263889A - 一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法。以活性炭为主体，钛酸四丁酯、长余辉发光材料、乙醇和硝酸为主要原料，采用原位负载技术制得负载钛锐型二氧化钛并且掺杂长余辉发光物质的活性炭雕材料。该活性炭雕材料在无光照条件下可以吸附净化空气中的甲醛、苯、甲苯等有机污染物，并通过长余辉发光材料的蓄能发光，发挥钛锐型二氧化钛对污染物的光催化降解能力，可制成具有吸附净化能力高、使用寿命长、美化装饰环境的功能炭雕。

Description

一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法

技术领域

 本发明涉及活性炭负载钛锐型二氧化钛的成型材料的制备方法，属于材料科学领域，特别是指一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法。

背景技术

随着人们对室内环境空气的重视程度不断增强，具有吸附室内有害气体的硅藻土墙饰和活性炭雕工艺品等受到广泛欢迎。但目前市场上盛行的活性炭雕工艺品经过一段时间后，便会达到饱和吸附，随着室内温度发生变化，已吸附的有害气体将重新脱附到环境中，无法从根本上脱除室内有害气体。

近年来，钛锐型二氧化钛因具有高的光催化活性、廉价无毒等优点，被广泛用于有机污染物降解、空气净化和污水处理等领域，成为材料科学、化学化工和环境科学等交叉学科的研究热点。利用原位负载技术将钛锐型二氧化钛均匀分布在活性炭上，不仅能实现钛锐型二氧化钛的光催化功能，还赋于活性炭雕材料的自清洁功能，即活性炭饱和吸附空气污染物后，利用钛锐型二氧化钛的光催化降解功能，可以将已吸附的污染物最终转化为二氧化碳和水等产物，并从活性炭雕材料表面释放出来，从而使得这种活性炭雕材料具有无限量的吸附容量，具有长久的使用寿命。申请号为200710165314.7的中国发明专利公开了一种用于炭雕工艺的自清洁活性炭材料，但该方法所述的材料是在800℃~900℃下炭化获得，该温度下的二氧化钛晶型以金红石型为主，光催化效果比钛锐型二氧化钛差，故自清洁能力较弱；并且该方法所述的活性炭负载二氧化钛的制备时间较长，成型工艺复杂，并且在无光照的条件下无法实现自清洁的功能，也未述及该方法制得的材料对有机污染物的去除效果。

长余辉发光物质是一种蓄能发光材料，能将外界光能储蓄，并在无光照情况下缓慢发光。如果将其与光催化材料二氧化钛复合，便可实现无光照下的光催化降解作用。申请号为200410009236.8、200510011688.4和201210085748.7的中国发明专利均公开了蓄能型光催化降解材料的制备方法，但上述前两项专利采用表面分层固定方式将光催化材料涂覆在长余辉发光材料表面，特别是对于易水解的发光材料，需在两种材料之间包覆耐水薄膜，严重影响了发光材料与光催化材料的协同作用，对污染物的光降解效果较差。并且上述三项专利均不是以比表面积高的活性炭为主体，故吸附净化能力较弱。

发明内容

本发明是针对目前活性炭雕材料吸附容量有限且在无光照条件下难以实现自清洁功能的问题而提供一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法。

为解决上述问题，本发明的解决方案是：

一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其具体步骤为：

步骤1、在乙醇和醋酸乙酯混合液中，一边搅拌一边依次添加钛酸四丁酯、活性炭粉末和质量百分比为10%的硝酸水溶液，添加完毕后继续搅拌1-3h，获得均匀分散有活性炭粉末的钛溶胶；

步骤2、溶胶经自然晾干12h后形成凝胶，放入烘箱在80℃下真空干燥10h，获得干燥晶体后，研磨成粉末；

步骤3、将长余辉发光物质与步骤2所述粉末一起放入球磨机中，均匀混合研磨2-10h，获得的混合粉末放入马弗炉中煅烧，先在200-400℃下保温2-5h，然后在450-650℃下保温1-4h，自然降温至室温，即得具有自清洁功能的长余辉发光活性炭粉末；

步骤4、在步骤3获得的具有自清洁功能的长余辉发光活性炭粉末中添加粘合剂，滴入5mL去离子水，搅拌10min后放入球磨机中，均匀混合研磨2h，装入铸钢模具中，室温下缓慢加压至6~15MPa，保持0.5-5h，获得块状成型材料；

步骤5、取块状成型材料于马弗炉内200-300℃煅烧，保温1-4h，自然冷却，即得权利要求1所述的具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料。

所述步骤1的乙醇、醋酸乙酯、钛酸四丁酯、活性炭粉末和硝酸水溶液的质量比如下：

乙醇             30-60份

醋酸乙酯         2-5份

钛酸四丁酯       10-20份

活性炭粉末       20-50份

硝酸水溶液       2-5份

所述步骤3的长余辉发光物质为SrAl₂O₄:Eu²⁺或SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺；所述长余辉发光物质的质量为活性炭粉末质量的1/10~1/5。

所述步骤4的粘合剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素，所述粘合剂质量为活性炭粉末质量的1/5~1/3。

本发明的显著优点在于：本发明的活性炭雕块状成型材料对甲醛、苯、甲苯等具有优越吸附净化能力、使用寿命及无光照自清洁功能；该炭雕材料如经工艺和美术设计后，以挂件、摆件、屏风和墙饰等形式置于室内，白天可充分发挥对室内甲醛、苯、甲苯等污染物的光降解功能，夜间不仅能发射特有的荧光，还能在无光照条件下继续发挥光降解功能，是集净化、自清洁和装饰功能为一体的实用材料；开发该炭雕材料具有显著的经济和社会效益。

具体实施方式

本发明揭示了一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，该活性炭雕材料采用原位负载技术负载钛锐型二氧化钛，且掺杂有长余辉发光物质。  

本发明具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，具体步骤为： 

步骤1、在乙醇和醋酸乙酯混合液中，一边搅拌一边依次添加钛酸四丁酯、活性炭粉末和质量百分比为10%的硝酸水溶液，添加完毕后继续搅拌1-3h，获得均匀分散有活性炭粉末的钛溶胶；其中乙醇、醋酸乙酯、钛酸四丁酯、活性炭粉末和硝酸水溶液的质量比如下：

乙醇             30-60份

醋酸乙酯         2-5份

钛酸四丁酯       10-20份

活性炭粉末       20-50份

硝酸水溶液       2-5份

步骤2、钛溶胶经自然晾干12h后形成凝胶，放入烘箱在80℃下真空干燥10h，获得干燥晶体后，研磨成活性碳粉末；

步骤3、将长余辉发光物质与步骤2所述粉末一起放入球磨机中，均匀混合研磨2-10h，获得的混合粉末放入马弗炉中煅烧，先在200-400℃下保温2-5h，然后在450-650℃下保温1-4h，自然降温至室温，即得具有自清洁功能的长余辉发光活性炭粉末；该长余辉发光物质为SrAl₂O₄:Eu²⁺或SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺； 

步骤4、在步骤3获得的具有自清洁功能的长余辉发光活性炭粉末中添加粘合剂，粘合剂质量为活性炭粉末质量的1/5~1/3，滴入5mL去离子水，搅拌10min后放入球磨机中，均匀混合研磨2h，装入铸钢模具中，室温下缓慢加压至6~15MPa，保持0.5-5h，获得块状成型材料；

步骤5、取块状成型材料于马弗炉内200-300℃煅烧，保温1-4h，自然冷却，即得权利要求1所述的具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料。

实施例1：

在40份乙醇中加入2份醋酸乙酯，一边搅拌一边依次添加15份钛酸四丁酯、50份活性炭粉末和2份10%的硝酸水溶液，添加完毕后继续搅拌2h，获得均匀分散有活性炭粉末的钛溶胶。经自然晾干12h和真空干燥10h，在获得的粉末中加入5份SrAl₂O₄:Eu²⁺发光粉体，一起放入球磨机均匀混合2h，然后将混合粉末置于马弗炉中煅烧，250℃下保温2h，500℃下保温2h，自然冷却至室温。

加入10份聚乙烯醇，滴入5mL去离子水，搅拌10min后放入球磨机中，均匀混合研磨2h，装入铸钢模具中，室温下缓慢加压至6MPa，保持30min，将获得的块状成型材料在马弗炉中250℃下煅烧1 h，自然冷却，即得具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料。

实施例2：

在30份乙醇中加入3份醋酸乙酯，一边搅拌一边依次添加12份钛酸四丁酯、40份活性炭粉末和2份10%的硝酸水溶液，添加完毕后继续搅拌2h，获得均匀分散有活性炭粉末的钛溶胶。经自然晾干12h和真空干燥10h，在获得的粉末中加入8份SrAl₂O₄:Eu²⁺发光粉体，一起放入球磨机均匀混合2h，然后将混合粉末置于马弗炉中煅烧，250℃下保温2h，500℃下保温2h，自然冷却至室温。

加入12份羧甲基纤维素，滴入5mL去离子水，搅拌10min后放入球磨机中，均匀混合研磨2h，装入铸钢模具中，室温下缓慢加压至10MPa，保持30min，将获得的块状成型材料在马弗炉中250℃下煅烧1 h，自然冷却，即得具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料。

实施例3：

在30份乙醇中加入2份醋酸乙酯，一边搅拌一边依次添加15份钛酸四丁酯、40份活性炭粉末和1份10%的硝酸水溶液，添加完毕后继续搅拌2h，获得均匀分散有活性炭粉末的钛溶胶。经自然晾干12h和真空干燥10h，在获得的粉末中加入6份SrAl₂O₄:Eu²⁺发光粉体，一起放入球磨机均匀混合2h，然后将混合粉末置于马弗炉中煅烧，250℃下保温2h，500℃下保温2h，自然冷却至室温。

加入10份羟丙基甲基纤维素，滴入5mL去离子水，搅拌10min后放入球磨机中，均匀混合研磨2h，装入铸钢模具中，室温下缓慢加压至8MPa，保持30min，将获得的块状成型材料在马弗炉中250℃下煅烧1 h，自然冷却，即得具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料。

实施例4：

在温度为24℃、相对湿度为60%、容积为180L的密闭玻璃箱体内，外面用铝箔纸包覆，用注射器注入一定量的甲醛，启动内置风扇保持空气处于循环流动状态，保证装置中污染物均匀分布。研究实施例1制得的活性炭雕材料在不同条件下的甲醛去除率：（1）炭雕材料直接放入黑暗的箱体内；（2）炭雕材料先置于250W高压汞灯下预照射2h，再放入黑暗的箱体内；（3）炭雕材料直接置于有光照的密闭玻璃箱体中。分别考察经过12h、24h的甲醛去除率（如5天的去除率是指经过5天后甲醛的浓度变化量与甲醛的初始浓度的百分比值），如表1所示：

表1 不同光照条件下甲醛的去除率

按条件（3）进行甲醛去除实验，炭雕材料循环使用20次后，去除率可达到首次去除率的96.2%。

实施例5：

在温度为22℃、相对湿度为52%、容积为180L的密闭玻璃箱体内，外面用铝箔纸包覆，用注射器注入一定量的甲苯，启动内置风扇保持空气处于循环流动状态，保证装置中污染物均匀分布。研究实施例2制得的活性炭雕材料在不同条件下的甲苯去除率：（1）炭雕材料直接放入黑暗的箱体内；（2）炭雕材料先置于250W高压汞灯下预照射2h，再放入黑暗的箱体内；（3）炭雕材料直接置于有光照的密闭玻璃箱体中。分别考察经过12h、24h的甲苯去除率，如表2所示：

表2 不同光照条件下甲苯的去除率

按条件（3）进行甲醛去除实验，炭雕材料循环使用20次后，去除率可达到首次去除率的94.8%。

实施例6：

在温度为24℃、相对湿度为58%、容积为180L的密闭玻璃箱体内，外面用铝箔纸包覆，用注射器注入一定量的苯，启动内置风扇保持空气处于循环流动状态，保证装置中污染物均匀分布。研究实施例3制得的活性炭雕材料在不同条件下的苯去除率：（1）炭雕材料直接放入黑暗的箱体内；（2）炭雕材料先置于250W高压汞灯下预照射2h，再放入黑暗的箱体内；（3）炭雕材料直接置于有光照的密闭玻璃箱体中。分别考察经过12h、24h的苯去除率，如表3所示：

表3 不同光照条件下苯的去除率

按条件（3）进行甲醛去除实验，炭雕材料循环使用20次后，去除率可达到首次去除率的95.1%。

Claims (6)

1.一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其具体步骤为：

步骤1、在乙醇和醋酸乙酯混合液中，一边搅拌一边依次添加钛酸四丁酯、活性炭粉末和质量百分比为10%的硝酸水溶液，添加完毕后继续搅拌1-3h，获得均匀分散有活性炭粉末的钛溶胶；

步骤2、溶胶经自然晾干12h后形成凝胶，放入烘箱在80℃下真空干燥10h，获得干燥晶体后，研磨成粉末；

步骤3、将长余辉发光物质与步骤2所述粉末一起放入球磨机中，均匀混合研磨2-10h，获得的混合粉末放入马弗炉中煅烧，先在200-400℃下保温2-5h，然后在450-650℃下保温1-4h，自然降温至室温，即得具有自清洁功能的长余辉发光活性炭粉末；

步骤4、在步骤3获得的具有自清洁功能的长余辉发光活性炭粉末中添加粘合剂，滴入5mL去离子水，搅拌10min后放入球磨机中，均匀混合研磨2h，装入铸钢模具中，室温下缓慢加压至6~15MPa，保持0.5-5h，获得块状成型材料；

步骤5、取块状成型材料于马弗炉内200-300℃煅烧，保温1-4h，自然冷却，即得权利要求1所述的具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料。

2.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1的乙醇、醋酸乙酯、钛酸四丁酯、活性炭粉末和硝酸水溶液的质量比如下：

乙醇             30-60份

醋酸乙酯         2-5份

钛酸四丁酯       10-20份

活性炭粉末       20-50份

硝酸水溶液       2-5份。

3.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3的长余辉发光物质为SrAl₂O₄:Eu²⁺或SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺。

4.如权利要求1或3所述的一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其特征在于：所述长余辉发光物质的质量为活性炭粉末质量的1/10~1/5。

5.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4的粘合剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素。

6.如权利要求1或5所述的一种具有自清洁功能的长余辉发光活性炭雕材料的制备方法，其特征在于：所述粘合剂质量为活性炭粉末质量的1/5~1/3。