CN105080498A

CN105080498A - 多功能高效一体式空气污染处理材料

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Publication number: CN105080498A
Application number: CN201410214015.8A
Authority: CN
Inventors: 杜峰
Original assignee: JIANGSU REFONTECH INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: JIANGSU REFONTECH INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: CN105080498B

Abstract

本发明涉及一种多功能高效一体式空气污染处理材料及其制备工艺，属于常温吸附催化与空气净化技术领域。所述多功能高效一体式空气污染处理材料配方由高比表面积活性炭载体、氧化钛纳米管催化组分、纳米非贵金属催化组分、纳米贵金属催化组分及高效抗菌组分所组成。该材料对常见空气污染物如苯、甲苯等VOCs、甲醛、CO、SO₂、NO₂及细菌等具有快速去除及灭杀功效，可满足真实环境下一体式高效去除室内多种空气污染物的要求。

Description

多功能高效一体式空气污染处理材料

技术领域

一种多功能高效一体式空气污染处理材料配方及其制备工艺，涉及纳米多功能复合改性炭基材料，属于常温吸附催化与空气净化技术领域。

背景技术

现代人至少70%以上的时间在室内度过在，而城市人口在室内度过的时间超过了90%，尤其是婴幼儿和老弱残疾者在室内的时间更长。但是室内空气污染物的浓度一般是室外污染物浓度的2～5倍,在某些情况下是室外污染物的几十甚至几百倍。随着社会经济的迅速发展,现代人对高质量生活的追求不断提高，我国房地产业发展迅猛，带来了建筑装饰业的蓬勃发展。与国外发达国家相比，我国对建筑装饰材料的卫生质量和要求的监督与管理方面尚有很大的差距，装修造成室内空气污染导致居住者尤其对儿童、老年人、孕妇以及职业接触者等的健康危害。

室内空气污染物按其性质可以分为非生物污染与生物及微生物污染两类。非生物污染物其自身又包括了很多种污染物，又可以将其分为物理污染物和化学污染物等。物理性污染主要指由室内外地基、建筑材料所产生的放射性污染和室内外的噪声、室内家电设备的磁辐射等。而化学污染物由建筑材料、装饰材料、家用化学品、香烟雾以及燃烧产物等产生。除此以外，室内还存在粉尘和可吸入颗粒物（PM2.5，PM10）等的污染。生物及微生物污染指由生活垃圾、空调、室内花卉、宠物、地毯、家具等产生的污染，包括细菌、病菌、尘螨等。

化学性污染主要来自室内装潢、家具、厨具、餐具、玩具、清洁剂、消毒剂、杀虫喷雾剂、煤气热水器、化妆品、某些蚊香、烟草、厨房油烟、煤烟、气体燃料、日用垃圾等等物品。它们会散发出甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、甲苯二乙氰酸酯、氯乙烯、甲醛等挥发性有机物和氨、一氧化碳、一氧化氮、二氧化碳、二氧化硫等无机化合物。这些对人体健康都有危害。医学研究表明，对人体有害的化学物质可导致上呼吸道刺激症状，如鼻干发痒、堵塞流涕、打喷嚏、嗅觉下降、咽喉烧灼感或异物感，甚至咳嗽声哑。随着局部呼吸道粘膜免疫调节异常和吞噬、清除病毒、细菌等异物的功能下降，很容易诱发下呼吸道即气管、支气管及肺部的炎症反应和感染，累及整个呼吸系统。尤其是芳香烃类等两种以上化学物质蓄积时，可致中毒症状，不仅损伤局部粘膜，还可能出现耳鼻咽喉的异常表现，进而影响全身。

生物性污染主要来自寄生于地毯、沙发、被褥、衣物、毛绒玩具中的螨虫及其它细菌；家庭饲养的花鸟鱼虫和猫狗宠物中的病原微生物、寄生虫等。来自于室尘、地毯、鸟兽羽毛以及枕头、被褥等床上用品中的螨虫、真菌在医学上称为过敏原，常可引发人体过敏反应，最常见的是过敏性鼻炎和过敏性皮肤病。

目前室内空气污染治理，最有效的方法还是使用空气净化器，其可快速高效的去除室内常见污染物。空气净化器中有多种不同的技术和介质，常用的空气净化技术有：HEPA高效过滤技术、静电集尘技术；低温非对称等离子体空气净化技术、负离子技术、负氧离子技术、活性氧技术；吸附技术、分子络合技术、光催化技术、催化氧化技术等；而主要的净化材料有：HEPA滤网，TiO₂光触媒、活性炭及其纤维、贵金属催化剂、高锰酸钾、净化喷剂等。目前HEPA滤网基本可满足室内除尘的需求，而对于室内气态污染物和微生物污染治理方式则各有不同效果也千差万别，且厂家大都采用多模块拼装方式，如杀菌模块+活性炭吸附模块+光催化模块等，市面上多功能一体式空气污染处理材料并未见相关报道。作为净化器最核心的净化材料，现有文献报道则大都针对单一功能进行材料开发，如除甲醛催化氧化材料，CO催化氧化材料，VOCs光催化材料等，高效杀菌材料等。若能开发出一体式空气污染处理材料，则将极大地推动空气净化领域滤芯使用方式的革新。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对单一功能进行材料，如除甲醛催化氧化材料，CO催化氧化材料，VOCs光催化材料等，高效杀菌材料等存在不足之处，提供了一种多功能高效一体式空气污染处理材料配方及其制备工艺，该材料对常见空气污染物如苯、甲苯等VOCs、甲醛、CO、SO₂、NO₂及细菌等具有快速去除及灭杀功效，可满足真实环境下一体式高效去除室内多种空气污染物的要求。

本发明提出的一种多功能高效一体式空气污染处理材料配方及其制备工艺，主要内容为：

一种多功能高效一体式空气污染处理材料，由高比表面积活性炭载体、氧化钛纳米管催化组分、纳米非贵金属催化组分、纳米贵金属催化组分及高效抗菌组分所组成。

1）高比表面积活性炭载体，可以是颗粒状、柱状、球状或蜂窝状等，其特征在于：碘值为1800～2700mg/g，比表面积为2000～3000m²/g，灰分<2wt%，含量占材料的70~90wt%；

2）所述氧化钛纳米管催化组分，其特征在于：由钛白粉和一定量的高分子模板，于氢氧化钠水溶液中水热制得，含量占材料的2~18wt%；所述纳米非贵金属催化组分，其特征在于：Ce⁴⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等元素的一种或几种，由水热反应制得，折合对应氧化物含量占材料的1~15wt%；所述纳米贵金属催化组分，其特征在于：Ag⁺、Pt²⁺、Pd²⁺一种或几种，液相还原水热制得，折合对应金属含量占材料的0.01～0.08wt%；

3）所述高效抗菌组分，其特征在于：由壳聚糖、酯化壳聚糖、烷基壳聚糖等的一种或几种，以及抑菌性无毒非离子可降解表面活性剂如烷基聚葡糖糖苷、季铵盐的一种或几种共同组成，总含量占材料的0.02~0.9wt%；

4）制备工艺特征在于：首先将钛白粉与壳聚糖、酯化壳聚糖、烷基壳聚糖的一种或几种，混合加入氢氧化钠水溶液中，于120～200℃下水热反应3～12h得到氧化钛纳米管分散液，再则将一种或几种Ce⁴⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺的水溶液，与一种或几种Ag⁺、Pt²⁺、Pd²⁺的水溶液混合，与抑菌性无毒非离子表面活性剂充分分散后，加入硼氢化钠溶液60℃～80℃水热反应4～8h，得到纳米活性分散液，最后将纳米活性分散液与氧化钛纳米管分散液混合，高速搅拌得到活性溶胶，于常温下浸渍高比表面积活性炭4~10h，经固液分离后取固体湿料微波干燥0.5～2h后即制得该材料。

本发明提出的一种多功能高效一体式空气污染处理材料配方及其制备工艺，优势如下：

1）高比表面积活性炭载体可实现对室内多种空气污染物的快速吸附富集；

2）氧化钛纳米管催化组分、纳米非贵金属催化组分、纳米贵金属催化组分可协调运作，将甲醛、VOCs、CO等污染物催化无害化去除，并加速SO₂、NOx等盐化反应；

3）纳米级氧化钛纳米管、纳米非贵金属催化组分及纳米贵金属催化组分制成分散性溶胶浸渍改性活性炭，制备工艺简单，温度低、能耗小，其分散性溶胶可重复浸渍使用，无三废排放；固液分离后固体湿料采用微波干燥，周期短能耗低；

4）高效抗菌组分有效与纳米级氧化钛纳米管、纳米非贵金属催化组分、纳米贵金属催化组分进行了耦合，分散更均匀，可与纳米材料协同杀菌，效果更显著；

5）该多功能高效一体式空气污染处理材料对真实环境下室内污染物尤其是低浓度污染去除效率卓著，可满足真实环境下一体式高效去除室内多种空气污染物的要求。

具体实施方式

以下通过实例进一步说明本发明：

实施例1

高比表面椰壳颗粒活性炭，碘值为1800～1900mg/g，比表面积为2000～2100m²/g，灰分<2wt%，粒度尺寸30～40目，经80℃去离子水（液固比2：1）浸泡3h后，离心得到固态湿料，于微波下干燥1h。

取处理后的颗粒活性炭500g填于蜂窝板内，蜂窝板装于自制净化器中，风量300m3/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

实施例2

500g钛白粉，8g壳聚糖，加入到5000ml10mol/L的NaOH水溶液中，于180℃下水热反应12h，冷却至室温得到氧化钛纳米管分散液；3g烷基聚葡糖糖苷加入到Ce⁴⁺浓度为0.2mol/L、Ag⁺浓度为0.005mol/L溶液5000mL，高速搅拌分散20min，加入1mol/L硼氢化钠溶液50mL，60℃～80℃水热反应4h，将氧化钛纳米管分散液全部加入高速搅拌30min得到活性溶胶；将1800～1900mg/g，比表面积为2000～2100m²/g，灰分<2wt%，粒度尺寸30～40目，高比表面椰壳活性炭500g加入至活性溶胶中，搅拌下常温浸渍6h，离心分离后，湿料于微波下干燥1h得到Ti-Ce-Ag-烷基聚葡糖糖苷改性炭材料。

取该Ti-Ce-Ag-烷基聚葡糖糖苷改性炭材料500g填于蜂窝板内，蜂窝板装于自制净化器中，风量300m³/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

实施例3

500g钛白粉，6g壳聚糖，加入到5000ml10mol/L的NaOH水溶液中，于180℃下水热反应12h，冷却至室温得到氧化钛纳米管分散液；5g季铵盐阳离子表面活性剂加入到Fe³⁺浓度为0.2mol/L、Pt²⁺浓度为0.002mol/L溶液5000mL，高速搅拌分散20min，加入0.8mol/L硼氢化钠溶液50mL，60℃～80℃水热反应5h，将氧化钛纳米管分散液全部加入高速搅拌30min得到活性溶胶；将1800～1900mg/g，比表面积为2000～2100m²/g，灰分<2wt%，粒度尺寸30～40目，高比表面椰壳活性炭500g加入至活性溶胶中，搅拌下常温浸渍6h，离心分离后，湿料于微波下干燥1h得到Ti-Fe-Pt-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料。

取该Ti-Fe-Pt-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料500g填于蜂窝板内，蜂窝板装于自制净化器中，风量300m³/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

实施例4

500g钛白粉，7g烷基壳聚糖，加入到5000ml10mol/L的NaOH水溶液中，于180℃下水热反应12h，冷却至室温得到氧化钛纳米管分散液；7g季铵盐阳离子表面活性剂加入到Mn²⁺浓度为0.2mol/L、Pd²⁺浓度为0.001mol/L溶液5000mL，高速搅拌分散20min，加入0.6mol/L硼氢化钠溶液50mL，60℃～80℃水热反应5h，将氧化钛纳米管分散液全部加入高速搅拌30min得到活性溶胶；将1800～1900mg/g，比表面积为2000～2100m²/g，灰分<2wt%，蜂窝块状活性炭500g加入至活性溶胶中，超声下常温浸渍6h，固液分离后，湿料于微波下干燥1h得到Ti-Mn-Pd-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料。

取该Ti-Mn-Pd-季铵盐阳离子表面活性剂改性蜂窝炭材料500g拼装于自制净化器中，风量300m³/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

实施例5

500g钛白粉，6g酯化壳聚糖，加入到5000ml10mol/L的NaOH水溶液中，于180℃下水热反应12h，冷却至室温得到氧化钛纳米管分散液；8g季铵盐阳离子表面活性剂加入到Cu²⁺浓度为0.25mol/L、Pt²⁺浓度为0.0005mol/L溶液5000mL，高速搅拌分散20min，加入0.6mol/L硼氢化钠溶液50mL，60℃～80℃水热反应4h，将氧化钛纳米管分散液全部加入高速搅拌30min得到活性溶胶；将1800～1900mg/g，比表面积为2000～2100m²/g，灰分<2wt%，粒度尺寸30～40目，高比表面椰壳活性炭500g加入至活性溶胶中，搅拌下常温浸渍6h，固液分离后，湿料于微波下干燥1h得到Ti-Cu-Pt-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料。

取该Ti-Cu-Pt-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料500g填于蜂窝板内，蜂窝板装于自制净化器中，风量300m³/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

实施例6

500g钛白粉，6g酯化壳聚糖，加入到5000ml10mol/L的NaOH水溶液中，于180℃下水热反应12h，冷却至室温得到氧化钛纳米管分散液；8g季铵盐阳离子表面活性剂加入到Cu²⁺浓度为0.15mol/L、Ni浓度为0.12mol/L、Pd²⁺浓度为0.0002mol/L溶液5000mL，高速搅拌分散20min，加入1.2mol/L硼氢化钠溶液50mL，60℃～80℃水热反应4h，将氧化钛纳米管分散液全部加入高速搅拌30min得到活性溶胶；将1800～1900mg/g，比表面积为2000～2100m²/g，灰分<2wt%，尺寸2～3mm，成型柱状椰壳活性炭500g加入至活性溶胶中，超声下常温浸渍6h，固液分离后，湿料于微波下干燥1h得到Ti-Cu-Ni-Pd-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料。

取该Ti-Cu-Ni-Pd-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料500g填于蜂窝板内，蜂窝板装于自制净化器中，风量300m³/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

实施例7

500g钛白粉，5g烷基壳聚糖，加入到5000ml10mol/L的NaOH水溶液中，于220℃下水热反应6h，冷却至室温得到氧化钛纳米管分散液；10g季铵盐阳离子表面活性剂加入到Cu²⁺浓度为0.10mol/L、Mn²⁺浓度为0.10mol/L、Ni²⁺浓度为0.05mol/L、Pt²⁺浓度为0.0001mol/L溶液5000mL，高速搅拌分散20min，加入1.2mol/L硼氢化钠溶液50mL，60℃～80℃水热反应4h，将氧化钛纳米管分散液全部加入高速搅拌30min得到活性溶胶；将2400～2600mg/g，比表面积为2700～2900m²/g，灰分<2wt%，粒度尺寸30～40目，高比表面椰壳活性炭500g加入至活性溶胶中，搅拌下常温浸渍4h，固液分离后，湿料于微波下干燥1h得到Ti-Cu-Mn-Ni-Pt-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料。

取该Ti-Cu-Mn-Ni-Pt-季铵盐阳离子表面活性剂改性炭材料500g填于蜂窝板内，蜂窝板装于自制净化器中，风量300m³/h，进风速度1.5m/s，于30m³国家标准净化仓内测试，温度18～22℃，湿度50～80%RH，污染物释放浓度为国标允许浓度的8~12倍，甲醛、苯、甲苯、CO去除效率及白色葡萄球菌灭杀效率测试周期为1h，SO₂及NO₂去除效率测试周期为20min，净化效果见表1。

表1国标30m³舱内材料常温去除常见污染物性能

Claims

1.一种多功能高效一体式空气污染处理材料，特征在于：由高比表面积活性炭载体、氧化钛纳米管催化组分、纳米非贵金属催化组分、纳米贵金属催化组分及高效抗菌组分所组成。

2.如权利要求1所述的一种多功能高效一体式空气污染处理材料，其特征在于：高比表面积活性炭载体，可以是颗粒状、柱状、球状或蜂窝状，碘值为1800～2700mg/g，比表面积为2000～3000m²/g，灰分<2wt%，含量占材料的70~90wt%。

3.如权利要求1所述的一种多功能高效一体式空气污染处理材料，其特征在于：氧化钛纳米管催化组分由钛白粉和一定量的高分子模板，于氢氧化钠水溶液中水热制得，含量占材料的2~18wt%。

4.如权利要求1所述的一种多功能高效一体式空气污染处理材料，其特征在于：纳米非贵金属催化组分为Ce⁴⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺元素的一种或几种，由水热反应制得，折合对应氧化物含量占材料的1~15wt%。

5.如权利要求1所述的一种多功能高效一体式空气污染处理材料，其特征在于：纳米贵金属催化组分为Ag⁺、Pt²⁺、Pd²⁺一种或几种，液相还原水热制得，折合对应金属含量占材料的0.01～0.08wt%。

6.如权利要求1所述的一种多功能高效一体式空气污染处理材料，其特征在于：高效抗菌组分由壳聚糖、酯化壳聚糖、烷基壳聚糖的一种或几种，以及抑菌性无毒非离子可降解表面活性剂如烷基聚葡糖糖苷、季铵盐的一种或几种共同组成，总含量占材料的0.02~0.9wt%。

7.一种多功能高效一体式空气污染处理材料，其制备工艺特征在于：将钛白粉与壳聚糖、酯化壳聚糖、烷基壳聚糖的一种或几种，混合加入氢氧化钠水溶液中，于120～200℃下水热反应3～12h得到氧化钛纳米管分散液，再则将一种或几种Ce⁴⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺的水溶液，与一种或几种Ag⁺、Pt²⁺、Pd²⁺的水溶液混合，与抑菌性无毒非离子表面活性剂充分分散后，加入硼氢化钠溶液60℃～80℃水热反应4～8h，得到纳米活性分散液，最后将纳米活性分散液与氧化钛纳米管分散液混合，高速搅拌得到活性溶胶，于常温下浸渍高比表面积活性炭4~10h，经固液分离后取固体湿料微波干燥0.5～2h后即制得该材料。