CN103933930B - 纳米柱撑蒙脱石在制备空气净化剂中的应用及其制备方法 - Google Patents

纳米柱撑蒙脱石在制备空气净化剂中的应用及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了纳米柱撑蒙脱石在空气净化剂中的应用，还提供了制备该纳米柱撑蒙脱石的方法以及含有纳米柱撑蒙脱石的空气净化剂。所述纳米柱撑蒙脱石作为空气净化剂或空气净化剂的一部分，用于吸附空气中的有害物质，所述有害物质包括甲醛和苯类化合物，其吸附速度快、吸收能力强，具有无毒、无味、无腐蚀、无环境污染的特点，是可以替代现有空气净化吸附剂的新产品。

Description

纳米柱撑蒙脱石在制备空气净化剂中的应用及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柱撑黏土的应用，具体涉及一种纳米柱撑蒙脱石在空气净化领域中的应用，尤其是纳米柱撑蒙脱石在制备空气净化剂中的应用及其制备方法。
背景技术
蒙脱石（montmorillonite）又名微晶高岭石，是一种硅铝酸盐，主要成分为二八面体蒙脱石微粒，分子式为(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O，是一种中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体所组成的三层片状结构的黏土矿物。蒙脱石的晶体结构如图1所示，其三层的“三明治”结构如图2所示。蒙脱石在晶体构造层间含水及交换阳离子，有较高的离子交换容量，具有较高的吸水膨胀能力。
蒙脱石为白色，有时为类白色、浅灰、粉红、浅绿色。鳞片状者解理完全，硬度2～2.5，相对密度2～2.7，柔软有滑感。加水膨胀，体积增加数倍，并变成糊状物。具有很强的吸附力及阳离子交换性能。其颗粒细小，约0.2～1微米，具胶体分散特性。当温度达到100～200℃时，蒙脱石失水。失水后的蒙脱石还可以重新吸收水分子或其他极性分子。
目前，蒙脱石可用于食用油精制脱色除毒、净化石油、核废料处理、污水处理等，还可作为造纸、橡胶、化妆品的填充剂、石油脱色和石油裂化催化剂的原料、地质钻探用泥浆、冶金用粘合剂等，用途较为多样。
其中，关于蒙脱石的吸附作用，中国专利申请201010565199.4公开了一种新型溢油污染吸附材料蒙脱石的制备方法，包括将蒙脱石配制成悬浊液，水土质量比例为10∶1～20∶1；加入绿色表面活性剂十二烷基甜菜碱(BS-12)或十二烷基磺基甜菜碱(SB-12)搅拌5～10min，使之分散均匀；超声波处理10～20分钟；用过滤法进行固液分离，用水洗涤；干燥、粉碎等。该绿色表面活性剂能与蒙脱石层间的阳离子发生离子交换作用进入蒙脱石层间，使其疏水性能增强，溶胀性能增强，能够更有效的固定截留溢油污染。
与此同时，市场在售的大部分空气净化器的核心材料是活性炭吸附剂。其吸附能力一般，弃置后污染环境。其他空气净化器则通过运用风扇使空气对流，对流空气通过空气过滤网以达到净化作用，此类产品受空气净化设备关闭便无法持续净化的限制，使得空间内空气净化无法获得持续性。譬如，汽车在停止使用时仍不断释放有害物质，但此时空气净化系统处于关闭状态，污染将持续加重（特别是新车、太阳下暴晒的车）。而且，该类空气净化方式还存在过滤网久用后堵塞或积尘，尤其在遇到逆向气流时，被吸附的物质发生脱落，反而对人体造成不良影响。此外，受潮将导致过滤效果的下降。
迄今为止，尚未见纳米柱撑蒙脱石用于空气净化领域，尤其是在空气净化剂中的应用。
发明内容
因此，本发明的目的在于应对当前空气净化器及空气净化剂中存在的缺陷，提供了将纳米柱撑蒙脱石在空气净化剂中的应用。
一方面，本发明提供了纳米柱撑蒙脱石在制备空气净化剂中的应用。
根据本发明的应用，其中，所述纳米柱撑蒙脱石为钛基柱撑蒙脱石（Titaniumpillaredmontmorillonite（Ti-PILM）），优选为纳米TiO2柱撑蒙脱石。TiO2无味无毒，在人体内没有大量吸收，其应用较为安全。另外，纳米TiO2的光催化作用还可以增加对空气中污染物，如氮氧化物、芳烃和醛类等的分解。
根据本发明的应用，其中，所述纳米柱撑蒙脱石作为空气净化剂或空气净化剂的一部分，用于吸附空气中的有害物质，所述有害物质包括甲醛和苯类化合物，例如苯、甲苯、二甲苯等。
另一方面，本发明还提供了一种制备用于空气净化的纳米柱撑蒙脱石的方法，该方法包括：
（1）将5～15重量份的钛酸正丁酯、20～30重量份的水、20～30重量份的无机酸和20～40重量份的醇进行混合，在10～80℃的温度下搅拌反应1～12小时，制得胶液；
（2）向步骤（1）制得的胶液中加入2～10重量份的蒙脱石粉体，在常压和10～80℃的温度下搅拌反应1～12小时，然后离心分离，得到粒径为2～5μm的胶体溶液；
（3）对步骤（2）得到的胶体溶液进行干燥和粉碎，得到所述纳米柱撑蒙脱石。
根据本发明的方法，其中，在步骤（1）中，所述钛酸正丁酯、水、无机酸和醇的重量份分别为9～11、28～30、28～30和20～22，例如可以分别为10、30、30、20；优选地，所述无机酸为盐酸或硫酸；更优选地，所述醇可以为低级醇，如甲醇、乙醇和丙醇等，可以为对环境和人体无害的醇类，如乙醇。
根据本发明的方法，其中，在步骤（1）中，搅拌的温度为30～50℃，例如40℃；优选地，搅拌的时间为7～9小时，例如8小时。
根据本发明的方法，其中，在步骤（2）中，所述蒙脱石的重量份为8～10，例如为9。
根据本发明的方法，其中，在步骤（2）中，搅拌的温度为30～50℃，例如40℃；优选地，搅拌的时间为7～9小时，例如8小时。
根据本发明的方法，其中，在步骤（2）中，所述离心为碟片离心。
根据本发明的方法，其中，在步骤（3）中，所述干燥为减压干燥。
再一方面，本发明还提供了一种空气净化剂，该空气净化剂含有纳米柱撑蒙脱石；优选地，所述纳米柱撑蒙脱石为按照权利要求4至9中任一项所述的方法制备的纳米柱撑蒙脱石；更优选地，所述空气净化剂中含有30～400g的纳米柱撑蒙脱石。在一种实施方式中，所述纳米柱撑蒙脱石在该空气净化剂中可以占80～97wt.%。
通过将本发明的纳米柱撑蒙脱石用于空气净化剂，可以获得比普通蒙脱石、活性炭吸附剂更佳的吸附空气中有害物质的能力，尤其是在吸附甲醛和苯等方面，这可能是由于本发明的纳米柱撑蒙脱石具有良好的空间结构，表面积可达800～900m2/g，高于普通蒙脱石3倍。因而其可用于塑料、油漆、皮革等释放的甲醛、苯、二甲苯等有害物质的空气净化。
本发明的纳米柱撑蒙脱石的吸附原理主要为物理吸附，吸附能力强，作用迅速，且无毒副作用，适合用于汽车、实验室等空间，并特别适合用于冰箱、卫生间、家具（如衣柜）等家居环境中。
总之，本发明提供的纳米柱撑蒙脱石具有较强的物理吸附性，具备静态减湿和去除异味的功能，并且吸附速度快、吸收能力强，具有无毒、无味、无腐蚀、无环境污染的特点，是可以替代现有空气净化吸附剂的新产品。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了蒙脱石的晶体结构。
图2示出了蒙脱石的三层结构，即“三明治”结构。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
实施例1
本实施例用于说明本发明的纳米柱撑蒙脱石的制备及其效果。
将5重量份的钛酸正丁酯、20重量份的纯化水、30重量份的盐酸、35重量份的乙醇加入容器内，搅拌反应6小时，温度控制在80℃，制得胶液；然后将10重量份的蒙脱石粉体原料加入上一步反应所得的胶液中，在常压下，温度控制在80℃并搅拌反应6小时，采用碟片离心的方法得到粒径为2～5μm的胶体溶液，然后进行减压干燥和粉碎，得到纳米TiO2柱撑蒙脱石。通过透射电镜TEM（仪器型号为LVEM5，购自DelongAmericaInc.）观察得知TiO2的粒径为0.5～2nm。
测定上述所得纳米柱撑蒙脱石的吸附性能，并与相同重量的普通蒙脱石（购自赤峰恒润工贸有限公司）和活性炭吸附剂（购自东莞市锦鸿活性炭有限公司）的吸附性能进行比较：
（一）现场检测环境条件：温度13.2℃，相对湿度76.4%
（二）实验样品重量：400g，实验样品平铺面积：0.06m2，试验容器体积：0.32m3。
检测结果见表1：
表1对空间甲醛浓度（mg/m3）的影响
由表1可见，随时间增加，放置了纳米柱撑蒙脱石吸附剂的试验容器内甲醛浓度持续降低，3小时后迅速降低至初始浓度的1/7，证实纳米柱撑蒙脱石吸附剂对甲醛的吸附作用强且迅速。而相对于普通蒙脱石和活性炭，纳米柱撑蒙脱石则具有明显更好的甲醛吸附能力。
实施例2
本实施例用于说明本发明的纳米柱撑蒙脱石的制备及其效果。
将10重量份的钛酸正丁酯、25重量份的纯化水、25重量份的盐酸、32重量份的乙醇加入容器内，搅拌反应1小时，温度控制在80℃，制得胶液，然后将8重量份的蒙脱石粉体原料加入上一步反应所得的胶液中，在常压下，温度控制在80℃并搅拌反应1小时，采用碟片离心的方法得到粒径为2～5μm的胶体溶液，然后进行减压干燥和粉碎，得到纳米TiO2柱撑蒙脱石。通过透射电镜TEM（仪器型号为LVEM5，购自DelongAmericaInc.）观察得知TiO2的粒径为0.5～2nm。
测定上述所得纳米柱撑蒙脱石的吸附性能：
1m3环境测试舱，测试温度为25℃，相对湿度为45%。将400g样品平铺于45cm×35cm搪瓷盘中，放置在环境测试舱中，参照《空气净化器测试方法》（OD-2A012-2010），测定其对甲醛、苯去除效果。扣除自然衰减后，结果为：400g纳米柱撑蒙脱石吸附剂在1h内对甲醛的净化效率79%，对苯的净化效率61.7%。
实施例3
本实施例用于说明本发明的纳米柱撑蒙脱石的制备及其效果。
将15重量份的钛酸正丁酯、23重量份的纯化水、20重量份的硫酸、40重量份的丙醇加入容器内，搅拌反应12小时，温度控制在10℃，制得胶液，然后将2重量份的蒙脱石粉体原料加入上一步反应所得的胶液中，在常压下，温度控制在10℃并搅拌反应12小时，采用碟片离心的方法得到粒径为2～5μm的胶体溶液，然后减压干燥并粉碎，得到纳米TiO2柱撑蒙脱石。通过透射电镜TEM（仪器型号为LVEM5，购自DelongAmericaInc.）观察得知TiO2的粒径为0.3～2nm。
测定上述所得纳米柱撑蒙脱石的吸附性能：
2m3环境测试舱，测试温度为20℃，相对湿度为60%。将200g样品平铺于35cm×25cm搪瓷盘中，放置在环境测试舱中，参照《空气净化器测试方法》（OD-2A012-2010），测定其对甲醛、苯去除效果。扣除自然衰减后，结果200g纳米柱撑蒙脱石吸附剂1h对甲醛的净化效率62.5%，对苯的净化效率50.7%。
同时，如按照与实施例2相同的条件测试其吸附性能，则400g纳米柱撑蒙脱石吸附剂1h对甲醛的净化效率67%，对苯的净化效率72%。
实施例4
本实施例用于说明本发明的纳米柱撑蒙脱石的制备及其效果。
将10重量份的钛酸正丁酯、30重量份的纯化水、30重量份的盐酸、20重量份的乙醇加入容器内，搅拌反应8小时，温度控制在40℃，制得胶液，然后将10重量份的蒙脱石粉体原料加入上一步反应所得的胶液中，在常压下，温度控制在40℃并搅拌反应8小时，采用碟片离心的方法得到粒径为2-5μm的胶体溶液，然后减压干燥并粉碎，制得。得到纳米TiO2柱撑蒙脱石。通过透射电镜TEM（仪器型号为LVEM5，购自DelongAmericaInc.）观察得知TiO2的粒径为0.5～2.5nm。
测定上述所得纳米柱撑蒙脱石的吸附性能：
3m3环境测试舱，测试温度为10℃，相对湿度为30%。将100g样品平铺于35cm×25cm搪瓷盘中，放置在环境测试舱中，参照《空气净化器测试方法》（OD-2A012-2010），测定其对甲醛、苯去除效果。扣除自然衰减后，结果100g纳米柱撑蒙脱石吸附剂1h对甲醛的净化效率58.4%，对苯的净化效率为43.5%。
同时，如按照与实施例2相同的条件测试其吸附性能，则400g纳米柱撑蒙脱石吸附剂1h对甲醛的净化效率71%，对苯的净化效率75%。
实施例5
本实施例用于说明本发明的纳米柱撑蒙脱石的制备及其效果。
将7重量份的钛酸正丁酯、30重量份的纯化水、27重量份的硫酸、30重量份的乙醇加入容器内，搅拌反应10小时，温度控制在30℃，制得胶液，将6重量份的蒙脱石粉体原料加入上一步反应所得的胶液中，在常压下，温度控制在30℃并搅拌反应10小时，采用碟片离心的方法得到粒径为2～5μm的胶体溶液，然后减压干燥并粉碎，得到纳米TiO2柱撑蒙脱石。通过透射电镜TEM（仪器型号为LVEM5，购自DelongAmericaInc.）观察得知TiO2的粒径为0.5～2nm。
测定上述所得纳米柱撑蒙脱石的吸附性能：
0.5m3环境测试舱，测试温度为35℃，相对湿度为75%。将30g样品平铺于15cm×10cm搪瓷盘中，放置在环境测试舱中，参照《空气净化器测试方法》（OD-2A012-2010），测定其对甲醛、苯去除效果。扣除自然衰减后，结果30g纳米柱撑蒙脱石吸附剂1h对甲醛的净化效率66.1%，对苯的净化效率为58.2%。
同时，如按照与实施例2相同的条件测试其吸附性能，则400g纳米柱撑蒙脱石吸附剂1h对甲醛的净化效率65%，对苯的净化效率69%。
安全性测试
本发明的纳米柱撑蒙脱石的毒性极低，无法测出LD50，改为测定其最大耐受量以评估其安全性。
小白鼠按0.6g/ml的浓度、20ml/kg体积一日内连续灌胃(ig)给药3次后未出现中毒表现，无动物死亡。其每日最大耐受量为36g/kg。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (13)

1.一种制备用于空气净化的纳米TiO2柱撑蒙脱石的方法，该方法包括：
(1)将5～15重量份的钛酸正丁酯、20～30重量份的水、20～30重量份的无机酸和20～40重量份的醇进行混合，在10～80℃的温度下搅拌反应1～12小时，制得胶液；
(2)向步骤(1)制得的胶液中加入2～10重量份的蒙脱石粉体，在常压和10～80℃的温度下搅拌反应1～12小时，然后离心分离，得到粒径为2～5μm的胶体溶液；
(3)对步骤(2)得到的胶体溶液进行干燥和粉碎，得到所述纳米TiO2柱撑蒙脱石。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述钛酸正丁酯、水、无机酸和醇的重量份分别为9～11、28～30、28～30和20～22。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述无机酸为盐酸或硫酸。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述醇为乙醇。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，搅拌的温度为30～50℃。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，搅拌的时间为7～9小时。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述蒙脱石的重量份为8～10。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，搅拌的温度为30～50℃。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，搅拌的时间为7～9小时。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述离心为碟片离心。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述干燥为减压干燥。
12.一种空气净化剂，其特征在于，该空气净化剂含有按照权利要求1至11中任一项所述的方法制备的纳米TiO2柱撑蒙脱石。
13.根据权利要求12所述的空气净化剂，其特征在于，所述空气净化剂含有30～400g的纳米TiO2柱撑蒙脱石，和/或所述空气净化剂中含有80～97wt.％的所述纳米TiO2柱撑蒙脱石。
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