CN104117371A - 碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于空气净化技术领域，尤其是涉及一种碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料及其应用。它解决了现有技术空气净化效果不佳的技术问题。本催化净化材料包括碳基载体，所述的碳基载体载入磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须中的任意一种或两者的组合。本发明将磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须优异的催化特性与活性炭强大的吸附性能相结合，本发明消除甲醛、苯等物质只需要空气中存在水和氧就能自然进行，无需可见光、紫外线光的照射，各种场合都可以方便使用；并可以根据需要，加工制造成各种形状、用途的空气过滤材料、空气净化包、空气净化片、空气净化盒、空气净化模块等产品。

Description

碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料及其应用

技术领域

本发明属于空气净化技术领域，尤其是涉及一种碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料及其应用。

背景技术

随着室内装修的不断升温，各种建筑材料的广泛应用，由此引发的室内空气污染越来越受到人们的关注，其中主要的污染物为来源于油漆、胶合板、刨花板、内墙涂料、塑料贴面等材料中的甲醛、苯、VOCs(Volatile Organic Compounds)等挥发性有机物。根据调查结果显示，超过七成的调查样板户存在不同程度的室内空气污染超标。按照室内空气评价国家标准，有75％的样品存在超标。排在污染前四位的有害物质分别是甲醛、苯、甲苯和二甲苯，家具和装修建材依然是造成室内污染最主要的两大污染源之一。室内污染严重地影响着人们的健康，它对人体健康的危害可以归纳为刺激作用、毒性作用和致癌作用。此外，在车厢、公共场所、家具等各领域都存在有害物质超标的问题，对人体及环境造成不良影响。

活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择地吸附气相、液相中的各种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的。活性炭广泛应用于工农业生产的各个方面。活性炭具有类石墨片层结构，石墨层面中的π电子具有一定的催化活性，边缘及表面缺陷处的碳原子具有不对称或不成对电子可以在催化中产生效能作用，其表面含氧基团能呈现出碱和固体酸的催化作用，同时其拥有的非常发达的比表面积和规则良好的孔隙(径)分布以及丰富的表面官能团。活性炭材料不论在碱性或者酸性的环境下均具有很稳定的物理或化学特性，因此它是一种很好的催化剂载体材料，被广泛地应用到净化领域。

然而，普通的活性炭至少存在着下述不足之处：1、仅能对有害物质进行吸附，当使用一段时间后会导致吸附饱和，丧失净化能力，使用寿命较短。2、吸附饱和的活性炭会导致有害物质脱附溢出，长期放置不仅起不到净化作用，反而会成为污染源，虽然通过暴晒的方式可以再次提升吸附能力，但是提升的幅度有限，而且操作不够方便。为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种活性炭再生方法及活性炭再生系统装置[申请号：201210102913.5],方法：在再生催化液储罐内按体积比添加自來水、硫酸和催化剂三价铁或者二价铁离子，组成再生催化液。再生催化液中的硫酸和自來水的比例是根据pH值进行调整，再生催化液中的pH值应调为1～3，再生催化液中含三价铁离子或者二价铁离子浓度为2～40mmol/l；把再生催化液和氧化剂双氧水混合后形成再生液加入需再生活性炭吸附装置的再生液进口，混合液流过活性炭吸附装置后从活性炭吸附装置另一端的再生液出口流入如再生催化液储罐。还有人发明了一种超声波在线再生活性炭过滤器及其活性炭再生方法[申请号：201210491453.X]，包括罐体、超声波发生器、搅拌器及搅拌电机。当过滤器内的活性炭饱和后，先对活性炭过滤器进行正洗和反洗，然后关闭进水阀、出水阀和排阀，启动搅拌器对活性进行搅拌，接着通蒸汽对过滤器内的活性炭进行加热，当过滤器内的水温达到90℃后，停止蒸汽加热，然后启动超声波发生器，超声波发生器将使活性炭和水进行高速振动，并发生空化，在空化时将产生很高的温度和高压，使活性炭表面及内部的污垢被脱除，然后开启污水阀和出水阀，通过反洗将污垢排除，从而使活性炭重新恢复吸附能力。

上述方案虽然具有能够实现活性炭的再生，但是仍然存在着操作过程复杂，成本高，能源消耗大，容易造成环境污染等技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种催化效能高，可以实现在常温常压下边吸附边降解有害物质，可以多次循环使用，大幅降低使用成本的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料及其应用。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料，其特征在于，本催化净化材料包括碳基载体，所述的碳基载体载入磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须中的任意一种或两者的组合。

在上述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料中，所述的碳基载体包括活性炭。本发明中的碳基载体通常采用活性炭，当然还可以在活性炭中掺入普通炭。

本发明以活性炭为基础载体，利用活性炭发达的比表面积和强劲的物理吸附特性并载入具有较强催化功能的磷酸二氧化钛和/或四针状氧化锌晶须的一种复合型催化净化材料。磷酸二氧化钛是一种具有一次元细孔构造的物质，是由磷酸、钛酸、硅酸形成的无机酸非晶体化合物；四针状氧化锌晶须是一种外观呈白色疏松状粉体，微观为三维四针状立体结构，即晶须有一核心，从核心径向方向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶体微纤维，任两根针状体的夹角为相等的氧化锌晶体物质。本发明采用了活性炭、磷酸二氧化钛/四针状氧化锌各自的功能特点，只需甲醛、苯等有害物质存在于空气中便可自然分解，无需可见光、紫外线、化学催化等特定条件，适用于各种场合，并且安全无毒。

更具体地说，磷酸二氧化钛是一种具有2～50纳米一次元细孔构造的物质，是由磷酸、钛酸、硅酸形成的无机酸非晶体薄膜，溶液中的固体物质粒度以10纳米左右分布。非晶体薄膜形成万分之一毫米程度多孔的组织，其微细孔内发生着包括吸附性的某些催化反应，与氧化钛光触媒通过紫外线照射发生催化作用的原理不同。二氧化钛的表面积为每克50平方米左右，磷酸二氧化钛的表面积为每克700平方米左右，被认为具有强烈的吸附性和因纳米粒子特性的电位转移而产生高能量的易位反应。这种催化剂与光催化剂的作用原理不同，并不需要紫外线的照射便能反复起到除臭和抗菌效果。这种催化剂除在暗室也能产生效果外，因其不需要用粘合剂，具有耐水性，耐擦、不变色，不老化，透明性好等优点。能分解甲醛、苯、氨、硫化氢、乙醛等挥发性有机物，并能起到抗菌、防污的作用。由于不使用溶剂，无毒无害。四针状氧化锌晶须是一种外观呈白色疏松状粉体，微观为三维四针状立体结构，即晶须有一核心，从核心径向方向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶体微纤维，任两根针状体的夹角为109°。晶须的中心体直径0.7～1.4μm，针状体根部直径0.5～14μm，针状体长度为3～200μm，电子衍射图像显示晶须具有位错小、晶格缺陷少的单晶性；原子吸收光谱显示晶须杂质含量少，氧化锌含量为99.95％，因此四针状氧化锌晶须近似于单晶。它是迄今所有晶须中唯一具有空间立体结构的晶须，因其独特的立体四针状三维结构，很容易实现在基体材料中的均匀分布，从而各向同性地改善材料的物理性能，同时赋予材料多种独特的功能特性。四针状氧化锌晶须具有半导体特性的氧化锌晶须纳米活性成份，能在水分和空气存在的体系中自行产生出自由电子，同时留下带正电的空穴。产生的带正电的空穴具有很强的氧化作用，负氧离子和羟基自由基非常活泼，有极强的化学活性，能切断常见有害有机物的化学键，达到氧化分解有害有机物的效果。常见的有害有机物，如甲醛、苯等。

本发明克服活性炭催化效能低下的不足；克服磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须的形态较为单一，不易制备，不方便多方面应用的不足；克服磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须比表面小，吸附能力差的不足；克服磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须造价成本高不易推广应用的不足。可以在室温下有效吸附并消除空气中的污染物物质，如甲醛、苯等挥发性有机物及生活异味和霉菌等。其中，磷酸二氧化钛为由磷酸、钛酸、硅酸形成的无机酸非晶体薄膜或溶液或固体物质粒度，以及上述不同物质单独或两种以上物质混合的二氧化钛化合物，以及含有上述物质特征的各种制备材料。其中，四针状氧化锌晶须为立体四针状单晶体物质的粉状或液态或固体物质粒度，以及上述不同形态单独或多种形态混合的含有四针状氧化锌晶须的材料。

在上述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料中，所述的活性炭包括纤维状活性炭、柱状活性炭、蜂窝状活性炭、球状活性炭、颗粒活性炭、粉状活性炭、网状活性炭、活性炭原炭、由活性炭粉末经粘合剂粘结而成的活性炭几何体中的任意一种或多种的组合。

在上述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料中，所述的磷酸二氧化钛的载入量占催化净化材料总重量的0.1～40％；所述的四针状氧化锌晶须的载入量占催化净化材料总重量的0.1～40％；余量为碳基载体。

在上述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料中，所述的磷酸二氧化钛或四针状氧化锌晶须以物理吸附、离子键、共价键、物理或化学涂覆拌合方式载入碳基载体。

基于上述碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的纤维。该纤维用作空气装置的滤材，以消除空气中的甲醛、苯等有害物质。

基于上述碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的蜂窝载体，该蜂窝载体用于消除空气中的甲醛、苯等有害物质。

基于上述碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的几何体。具体而言，碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料用于制备成活球、柱、粒、棒、块、片等几何体，从而制成空气净化包、片、盒、模块等，以消除空气中的甲醛、苯等有害气体。

基于上述碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料粘合或载入的纺织品，该纺织品用于消除甲醛、苯等有害物质。

基于上述碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的空气净化包，其特征在于，包括透气包装，所述的透气包装内装有碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料。本空气净化包用以消除室内空气或汽车内的甲醛、苯等有害物质。

本发明消除甲醛、苯等物质的方法只需要空气中存在水和氧就能自然进行，无需可见光、紫外线光的照射，各种场合都可以方便使用；并可以根据需要，加工制造成各种形状、用途的空气过滤材料、空气净化包、空气净化片、空气净化盒、空气净化模块等产品。

与现有的技术相比，本碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料及其应用的优点在于：本发明将磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须优异的催化特性与活性炭强大的吸附性能相结合，从而实现：一、负载有磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的活性炭或活性炭材料可以边吸附边催化降解甲醛、苯等有机物质气体，避免了单纯活性炭吸附甲醛、苯等有害气体易饱的缺陷，甲醛和苯等有害物质被催化后生成无害的二氧化碳和水；二、负载有磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的活性炭或活性炭材料可以实时诱导并分解甲醛、苯等有害物质，避免单纯活性炭吸附饱和脱附的缺陷；三、磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须与活性炭结合，增强了催化性中心数量，从而增强磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的催化活性；四、负载有磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的活性炭因其同时拥有稳定的理化特性和催化功能，应用领域和应用范围被大大增强；五、负载有磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的活性炭组合并发挥了单纯的磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须与活性炭最大作用效能，改变了单纯材料的使用方法，制备成相应应用材料后用途大大提升。

具体实施方式

本碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料包括碳基载体，所述的碳基载体载入磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须中的任意一种或两者的组合。碳基载体包括活性炭。本发明中的碳基载体通常采用活性炭，当然还可以在活性炭中掺入普通炭。活性炭包括纤维状活性炭、柱状活性炭、蜂窝状活性炭、球状活性炭、颗粒活性炭、粉状活性炭、网状活性炭、活性炭原炭、由活性炭粉末经粘合剂粘结而成的活性炭几何体中的任意一种或多种的组合。

磷酸二氧化钛的载入量占催化净化材料总重量的0.1～40％；四针状氧化锌晶须的载入量占催化净化材料总重量的0.1～40％；余量为碳基载体。优化的磷酸二氧化钛的载入量占催化净化材料总重量的33.3％；四针状氧化锌晶须的载入量占催化净化材料总重量的33.3％。磷酸二氧化钛或四针状氧化锌晶须以物理吸附、离子键、共价键、物理或化学涂覆拌合方式载入碳基载体。

本实施例中，先用稀硝酸洗涤活性炭颗粒或粉末，再用清水洗涤，使活性炭颗粒或粉末中需要载入磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须中的任意一种或两者的组合的活性炭微孔内壁杂质元素除去，以便磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须中的任意一种或两者的组合顺利进入活性炭颗粒或粉末的活性炭微孔内壁上。

基于碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的纤维。基于碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的蜂窝载体。基于碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的几何体。基于碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料粘合或载入的纺织品。基于碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的空气净化包，其特征在于，包括透气包装，所述的透气包装内装有碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料。

本发明中的活性炭包括纤维状、颗粒状、球状、粉末状、柱状、蜂窝状、网状、块状、片状、由活性炭粉末经粘合剂粘结而成的活性炭几何体等各种形态的活性炭原料或制品。磷酸二氧化钛为由磷酸、钛酸、硅酸形成的无机酸非晶体薄膜或溶液或固体物质粒度，以及上述不同物质单独或两种以上物质混合的二氧化钛化合物，以及含有上述物质特征的各种制备材料。四针状氧化锌晶须为立体四针状单晶体物质的粉状或液态或固体物质粒度，以及上述不同形态单独或多种形态混合的含有四针状氧化锌晶须的材料。

本发明将活性炭中负载有磷酸二氧化钛和/或四针状氧化锌晶须，并采用此活性炭吸附空气中的甲醛、苯等，然后在空气中氧气和水的作用下催化分解甲醛、苯等。

实施例1：利用活性炭纤维上的羟基、羧基等基团与磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须反应生成共价键结合的负载磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须活性炭纤维，磷酸二氧化钛的负载量为3.5％，四针状氧化锌晶须的负载量为5.5％制成活性炭纤维毡，用作空气装置的过滤网，消除空气中的甲醛、苯。

实施例2：利用颗粒活性炭通过物理吸附的方式制得负载磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须活性炭，磷酸二氧化钛的负载量为8％，四针状氧化锌晶须的负载量为9％，将此活性炭颗粒填充于透气的模块装置中，可以用于消除室内、车内的甲醛、苯。

实施例3：利用活性炭粉末上的羧基与磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须反应生成离子键结合的负载磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的活性炭粉末，磷酸二氧化钛的负载量为3％，四针状氧化锌晶须的负载量为5％，该活性炭粉末可以纺粘于纺织品或无纺布上，用于消除室内甲醛、苯。并起到抗菌作用。

实施例4：利用如实施1、实施2、实施3所述的负载磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须的活性炭，制备成各种形状，如纤维状、颗粒状、球状、粉末状、柱状、蜂窝状、网状、块状、片状等产品，并根据需要制成适合各种用途的空气净化滤材。

实施例5：利用物理涂覆的方式，将磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须喷涂或拌和于任意一种活性炭材料，磷酸二氧化钛的负载量为8％，四针状氧化锌晶须的负载量为10％，并根据需要制成适合各种用途的空气净化滤材。

实施例6：利用化学涂覆的方式，将磷酸二氧化钛、四针状氧化锌晶须涂覆于任意一种活性炭材料，磷酸二氧化钛的负载量为9％，四针状氧化锌晶须的负载量为10％，并根据需要制成适合各种用途的空气净化滤材。

实施例7：本实施例中，添加了GuO作为添加剂，从而有效提高了除臭能力。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料，其特征在于，本催化净化材料包括碳基载体，所述的碳基载体载入磷酸二氧化钛和四针状氧化锌晶须中的任意一种或两者的组合。

2.根据权利要求1所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料，其特征在于，所述的碳基载体包括活性炭。

3.根据权利要求2所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料，其特征在于，所述的活性炭包括纤维状活性炭、柱状活性炭、蜂窝状活性炭、球状活性炭、颗粒活性炭、粉状活性炭、网状活性炭、活性炭原炭、由活性炭粉末经粘合剂粘结而成的活性炭几何体中的任意一种或多种的组合。

4.根据权利要求1或2或3所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料，其特征在于，所述的磷酸二氧化钛的载入量占催化净化材料总重量的0.1～40％；所述的四针状氧化锌晶须的载入量占催化净化材料总重量的0.1～40％；余量为碳基载体。

5.根据权利要求1或2或3所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料，其特征在于，所述的磷酸二氧化钛或四针状氧化锌晶须以物理吸附、离子键、共价键、物理或化学涂覆拌合方式载入碳基载体。

6.根据权利1-5中任意一项所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的纤维。

7.根据权利1-5中任意一项所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的蜂窝载体。

8.根据权利1-5中任意一项所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的几何体。

9.根据权利1-5中任意一项所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料粘合或载入的纺织品。

10.根据权利1-5中任意一项所述的碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料制成的空气净化包，其特征在于，包括透气包装，所述的透气包装内装有碳基高效吸附并分解有害物质的催化净化材料。