CN103951767B - 壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将重均分子量的范围为10000-1000000g/mol，脱乙酰度为60-99％的壳聚糖溶解在酸溶液后，酸溶液的质量百分浓度为0.01-1％，壳聚糖在酸溶液中的质量百分浓度为0.05-1％；混合均匀；(2)加入小分子改性剂，所述小分子改性剂的质量百分比占壳聚混合液的1-20％，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。本发明还包括一种壳聚糖雾霾沉降剂在大气雾霾污染的应用。本发明的壳聚糖为生物可降解的环保材料，具有低毒性，成本低廉，降低能耗，无二次污染的特点。本发明对壳聚糖沉降剂发掘了新用途，开拓了一个大气雾霾污染的新的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染处理领域，具体是涉及一种壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法及其应用。
背景技术
大气污染尤其是雾霾天气，已经成为生物圈的杀手。雾霾是漂浮大气中的PM2.5等尺寸微粒、粉尘、气溶胶等粒子，在一定的湿度、温度等天气条件，在相对稳定状态下产生的天气现象。雾霾灾害，是大气长期污染造成的结果。具体来讲，雾霾是雾和霾的混合物，霾的核心物质是悬浮在空气中的烟、灰尘等物质，空气相对湿度低于80％，颜色发黄。
气体能直接进入并粘附在人体下呼吸道和肺叶中，对人体健康有伤害。雾霾天气的形成主要是人为的环境污染，加上气温低、风小等自然条件导致污染物不易扩散。如何治理大气污染，是全人类面临急需解决的重要问题之一。减少污染源，削减大气污染物是解决雾霾的根本之道。主要是减少汽车尾气排放的污染物、工业企业排放的污染物，以及家庭生活排放的污染物等等。美国，英国，德国等世界各国均颁布了相应的法律法规，限制污染物排放量、改善空气质量并预防空气污染对人类健康造成危害。
然而对于室外大面积雾霾，目前仍然没有很好的解决方法。有的城市采用人工高空喷水机组，为城市环境降温、减霾，这种方法是治理室外雾霾的一种有效手段。但各大城市本身就严重缺水，加之其用电量也不是一个小数目，给本来就紧张的城市供电系统出了难题。
目前，壳聚糖的沉降剂或者絮凝剂，主要用于治理污水领域。壳聚糖及其衍生物类的絮凝剂主要是作为无毒的阳离子型絮凝剂用于处理有机废水和吸附重金属离子或者吸附其他细小颗粒。日本和美国已将壳聚糖类絮凝剂用于水处理的工业化过程，并取得了不错的处理效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低能耗，无二次污染的壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法及其应用，即在大气雾霾污染中的新用途。
本发明的技术解决方案如下：一种壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将重均分子量的范围为10000-1000000g/mol，脱乙酰度为60-99％的壳聚糖溶解在酸溶液后，酸溶液的质量百分浓度为0.01-1％，壳聚糖在酸溶液中的质量百分浓度为0.05-1％；混合均匀；
(2)加入小分子改性剂，所述小分子改性剂的质量百分比占壳聚糖混合液的1-20％，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。
进一步地，在步骤(1)中，所述酸溶液为甲酸、乙酸、盐酸、柠檬酸或苯甲酸中的一种或几种的组合。
进一步地，在步骤(2)中，所述小分子改性剂为乙二醇，十二烷基磺酸钠或硬脂酸钠。
本发明的一种壳聚糖雾霾沉降剂在大气雾霾污染的应用。
本发明所述的壳聚糖雾霾沉降剂的治理雾霾的方法，包括以下步骤：
(1)在雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为100-1000μg/m3,将雾化的上述壳聚糖沉降剂的体积范围为50mL-200mL；
(2)将壳聚糖沉降剂喷入模拟箱中，清除模拟雾霾。
上述各步骤均是在常温和常压下进行的。
有益效果：本发明中的壳聚糖为生物可降解的环保材料，具有低毒性，成本低廉，减少用水，降低能耗，无二次污染的特点。本发明具有如下优点：
(1)本发明对壳聚糖沉降剂发掘了新用途，开拓了一个大气雾霾污染的新的应用领域；
(2)本发明壳聚糖安全无毒，来源广泛，可以加速PM2.5的聚集沉降速度，净化空气，预示着很好的应用前景；
(3)壳聚糖是甲壳素脱乙酰基产物，分子链中含有反应性基团-NH2、-OH，在酸溶液中会表现出阳离子聚电解质的性质，显示出良好的聚集沉降性能。天然高分子分子链上分布着大量的游离羟基、氨基等活性基团，可通过电中和和黏结架桥双重作用，对大气中的PM2.5悬浮粒子，无论亲水性和非亲水性，均具有良好的吸附聚集性能，能够加速PM2.5的聚集沉降速度，可用于治理室外大面积雾霾，大幅提高除霾效率；
(4)所述壳聚糖为天然高分子材料，是自然界中动、植物以及微生物资源中的大分子。它们在被废弃后很容易分解成水和二氧化碳。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将脱乙酰度为90％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为0.05％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为850,000g/mol，然后加入乙二醇，壳聚糖混合液中乙二醇的质量百分比为5％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为0.1％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为500μg/m3,将雾化的壳聚糖沉降剂100mL直接喷入模拟箱中，清除雾霾时间为50min。
本发明具体采用壳聚糖为大气雾霾沉降剂，壳聚糖是性能最为优异的天然高分子材料之一。壳聚糖其前体甲壳素，广泛存在于虾蟹等甲壳动物及昆虫、藻类中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。天然高分子材料是完全脱离石油资源的一类可再生资源，可以说是取之不尽用之不竭。天然高分子材料具有上述的优异性能，因此在生物、医药及食品加工等诸多领域中已有着广泛的应用。
考虑到PM2.5尺寸微粒、粉尘和气溶胶等粒子表面大多带有电荷，在采用城市人工高空喷水时，适当加入一些带相反电荷的纯天然物质作为沉降剂，可大大加速PM2.5的聚集沉降速度。
本发明中的壳聚糖为生物可降解的环保材料，具有低毒性，成本低廉，减少用水，降低能耗，无二次污染的特点。本发明具有如下优点：
(1)本发明对壳聚糖沉降剂发掘了新用途，开拓了一个大气雾霾污染的新的应用领域；
(2)本发明壳聚糖安全无毒，来源广泛，可以加速PM2.5的聚集沉降速度，净化空气，预示着很好的应用前景；
(3)壳聚糖是甲壳素脱乙酰基产物，分子链中含有反应性基团-NH2、-OH，在酸溶液中会表现出阳离子聚电解质的性质，显示出良好的聚集沉降性能。天然高分子分子链上分布着大量的游离羟基、氨基等活性基团，可通过电中和和黏结架桥双重作用，对大气中的PM2.5悬浮粒子，无论亲水性和非亲水性，均具有良好的吸附聚集性能，能够加速PM2.5的聚集沉降速度，可用于治理室外大面积雾霾；
(4)所述壳聚糖为天然高分子材料，是自然界中动、植物以及微生物资源中的大分子。它们在被废弃后很容易分解成水和二氧化碳。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：将脱乙酰度为60％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为1％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为1,000,000g/mol，然后加入十二烷基磺酸钠，壳聚糖混合液中十二烷基磺酸钠的质量百分比为3％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为1％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为200μg/m3,将雾化的壳聚糖沉降剂50mL直接喷入模拟箱中，清除雾霾时间为55min。在表1中列出了测试结果。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：将脱乙酰度为99％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为0.01％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为10,000g/mol，然后加入硬脂酸钠，壳聚糖混合液中硬脂酸钠的质量百分比为1％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为0.05％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为700μg/m3,将雾化的壳聚糖沉降剂150mL直接喷入模拟箱中，清除雾霾时间为60min。在表1中列出了测试结果。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于：将脱乙酰度为70％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为0.1％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为300,000g/mol，然后加入乙二醇，壳聚糖混合液中乙二醇的质量百分比为15％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为0.5％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为100μg/m3,将雾化的壳聚糖沉降剂20mL直接喷入模拟箱中，清除雾霾时间为50min。在表1中列出了测试结果。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于：将脱乙酰度为85％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为0.5％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为650,000g/mol，然后加入乙二醇，壳聚糖混合液中乙二醇的质量百分比为20％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为0.3％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为1000μg/m3,将雾化的壳聚糖沉降剂200mL直接喷入模拟箱中，清除雾霾时间为53min。在表1中列出了测试结果。
对比例A
将脱乙酰度为90％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为0.05％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为850,000g/mol，然后加入乙二醇，壳聚糖混合液中乙二醇的质量百分比为5％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为0.1％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为500μg/m3,喷入100mL的纯水，清除雾霾时间为240min。在表1中列出了测试结果。
对比例B
将脱乙酰度为90％的壳聚糖溶解在质量百分浓度为0.05％醋酸水溶液中，壳聚糖的重均分子量为850,000g/mol，然后加入乙二醇，壳聚糖混合液中乙二醇的质量百分比为5％，配制成含壳聚糖的质量百分浓度为0.1％的水溶液，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。然后在实验室自制雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟大气雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为500μg/m3,不加入任何沉降剂，雾霾自由沉降，所需时间为270min。在表1中列出了测试结果。
表1中给出了各实施例和比较例的测试结果。表1如下：
表1
从表1中的实施例与比较例对比得知，加入壳聚糖雾霾沉降剂后，PM2.5的聚集沉降速度大幅加速，净化空气效率得以提高。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方法进行适当的变更和修改。因此本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书使用了一些特定的术语，但是这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (4)
1.一种壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将重均分子量的范围为10000-1000000g/mol，脱乙酰度为60-99％的壳聚糖溶解在酸溶液后，酸溶液的质量百分浓度为0.01-1％，壳聚糖在酸溶液中的质量百分浓度为0.05-1％；混合均匀；
(2)加入小分子改性剂，所述小分子改性剂的质量百分比占壳聚糖混合液的1-20％，充分溶解，制备得到壳聚糖雾霾沉降剂。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述酸溶液为甲酸、乙酸、盐酸、柠檬酸或苯甲酸中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的壳聚糖雾霾沉降剂的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述小分子改性剂为乙二醇，十二烷基磺酸钠或硬脂酸钠。
4.利用权利要求1-3任一项所述的壳聚糖雾霾沉降剂的治理雾霾的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在雾霾环境模拟箱中燃烧蚊香模拟雾霾，蚊香燃烧气化后在雾霾环境模拟箱中的浓度为100-1000μg/m3,将雾化的上述壳聚糖沉降剂的体积范围为50mL-200mL；
(2)将壳聚糖沉降剂喷入模拟箱中，清除模拟雾霾；上述各步骤均是在常温和常压下进行的。
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