CN106423191A - 一种保健型空气净化复合催化剂材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保健型空气净化复合催化剂材料及其制备方法。该复合催化剂材料具有核壳结构，其以高能电气石为核，二氧化锰、氧化铜和氧化铁为壳包覆电气石核。该复合催化剂材料的制备方法包括，将电气石粉末经过高温水淬处理得到高能电气石粉末，并在水中分散高能电气石粉末形成悬浊液，然后依次加入MnⅡ盐、FeⅢ盐和CuⅡ盐，再用碱调节pH至碱性并搅拌进行沉淀反应，再经过清洗、过滤得到前躯体滤渣；将所述前躯体滤渣进行高温煅烧，冷却后得到保健型空气净化复合催化剂材料。本发明采用液相原位反应，各种成分充分复合，结合力强，同时具有协同作用，同时制备过程简单，成本低。

Description

一种保健型空气净化复合催化剂材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种空气净化材料及其制备方法，尤其涉及一种不但具有空气净化功能，而且具备保健型空气净化复合催化剂材料及其制备方法。
背景技术
人类工业的发展也给大气带来了大量有害的污染物，加上近年逐渐风行的室内装修中使用的大量粘合剂等有害材料持续挥发出的有害气体，这些有害物质都进入到了大气中，特别是室内空气中，对人体的健康构成了巨大的威胁。
目前，为了应对净化空气的需求，市场上出现了大量的空气净化产品。绝大部分产品可以有效去除颗粒污染物；少量产品可以吸附净化有害气体污染物，通过更换滤材到达长效净化的效果；极少有可以安全长效且全面净化空气的空气净化器产品，而且所有的空气净化器产品仅解决了部分空气污染问题，并没有关注涉及到人体的其他问题。由于空气净化器产品是24小时使用的产品，而且是近距离的和人体接触，若在其中增加一些保健功能，则在长期的使用过程中人体可以收到良好的保健效果。目前的资料显示，还没有出现一种即可以安全长效的全面净化空气，又含有对人体拥有保健功能的空气净化材料。
在多种空气净化材料当中，过渡金属有氧化物材料由于价格低廉且具有优良的催化性能，特别是二氧化锰的化学性质活泼，催化效果好，受到了人们的青睐，在空气净化领域得到了一些应用。然而，由于锰原子内部的电子分布上存在一些缺陷，采用一些其他金属比如铁或铜进行复合的之后可以有效的改善其内部的缺陷问题，对其催化反应起到协同作用，可以有效提高其催化活性。电气石是一种结构特殊的极性结晶体，含有多元素的天然矿物，主要成分有镁、铝、铁、硼等十多种对人体有利的微量元素，它具有独特的压电效应和热电效应。电气石能够永久的产生微电流，这种电流和人体神经的电流类似，这样就可以起到促使血液循环、顺畅的作用。
另外电气石还能释放负离子和远红外线，这些负离子具有能够调节人体离子平衡并活化细胞，能够使人身心放松、并提高自愈率以及抑制身体的氧化和除异味的功效。特别地，由于粉末表面性能更好、活性更高，使得电气石粉末具有较高的负离子产生量和远红外发射率，长期接触下对人体有保健作用。对于不同表面性能的电气石，其自身所含有的能量不一样、所能释放出负离子和远红外的能力存在着差异。大量研究发现，电气石粉末材料越细、比表面积越大，其所含有的能量同比增加，负离子产生量越多、远红外发射率越高。故将电气石颗粒粒度越细、表面活性越高，其能量越高，保健性能越能得到充分的发挥。传统的电气石生产工艺主要包括矿物提纯和粉碎、磨碎等加工工艺，根据粉碎工艺和强度的区别得到不同粒度级别的电气石粉末。由于天然电气石具有硬度高、耐磨的特点，给粉料特别是高比表面积的粉料加工增加了难度和成本，且导致产物的粒度分布宽泛，不集中。
CN 1557558 A中公开了一种纳米级超细电气石微粉的制备方法，其中采用了原矿粗碎、气流粉碎、粉碎后处理、湿法球磨、喷雾干燥、分体解团聚、包装存放。其主要工艺参数为：经初步粉碎的电气石粉置于自然空气中，在300-800℃下煅烧，煅烧时间为2-4h，得到不同颜色的电气石粉体；再进行36-72h的球磨。可以明显降低电气石粉体的团聚，提高粉碎效率，粉体粒径明显减小到15-60nm，负离子发生能力明显提高，具有使用安全、应用范围广的优点。该制备工艺中依靠粗碎、气流粉碎和湿法球磨进行加工处理，以达到减小颗粒粒径，提高负离子发生能力的目的。其中使用了大量的粉碎设备，工艺复杂、能耗高。难以实现广泛的推广应用。CN 101450845 A中公开了一种高负离子电气石粉的制备方法，其中采取60-80％的电气石、5-10％的氧化铈、2-5％的氧化钇、5-10％的氧化钕和5-15％的氧化钛混合制备，该工艺具有制备工艺简单、成本低的特点。然而仅用了简单的混合法，难以达到均相制备的效果，局限了材料的使用性能。
发明内容
针对上述所涉及的问题，本发明的目的是提供一种保健型空气净化复合催化剂材料的制备方法，这种方法中通过简单的制备工艺可以将保健型高活性电气石颗粒包覆到催化剂颗粒度的内部。该材料为以过渡金属氧化物二氧化锰、氧化铜和氧化铁为壳包覆高活性电气石核的核壳结构复合催化剂材料。将电气石粉采用高温煅烧结合低温水淬处理得到具有高比表面积的纳米级电气石粉末。应用上述普通的沉淀法工艺，将电气石粉末加入其中充当品种，再结合高温煅烧工艺得到最终产品。在通过制粒成型工艺得到空气净化材料颗粒，可以应用于空气净化器产品滤网中。这种方法得到的空气净化材料中起到净化作用的材料位置外壳上，能产生负离子及远红外起到保健作用的高能电气石颗粒位于其内核，可以起到持续的保健作用。
高温水淬处理的原理是，高温水淬工艺下特殊的极冷工艺使得其颗粒内部产生大量裂纹，增加其比表面积，提高其表面活性，得到高能电气石粉末材料。
为了实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的一种保健型空气净化复合催化剂材料，首先对电气石粉末材料进行高温前处理，得到高能电气石粉末；利用上述高能电气石粉末作为品种，结合混合催化剂材料制备的沉淀反应制备出催化剂材料前躯体；再结合高温煅烧工艺制备出保健型空气净化复合催化剂材料。该保健型空气净化复合催化剂材料具有核壳结构，其以高能电气石为核，二氧化锰、氧化铜和氧化铁为壳包覆电气石核。
该保健型空气净化复合催化剂材料的制备工艺主要包括电气石粉末的前处理、制备复合氧化物催化剂的沉淀反应和高温煅烧工艺。具体如下：本发明所述的保健型空气净化复合催化剂材料通过如下方法制备：将电气石粉末进行高温处理，高温处理后不降温将其迅速倒入冷水中水淬，急冷，经过冷却过滤得到高能电气石粉末；在水中分散高能电气石粉末形成悬浊液，然后依次加入MnII盐、FeIII盐和CuII盐，再用碱调节pH至碱性并搅拌进行沉淀反应，再经过清洗、过滤得到前躯体滤渣；将上述前躯体滤渣进行高温煅烧，冷却后得到二氧化锰、氧化铜和氧化铁为壳包覆高能电气石核的具有核壳结构的空气净化复合催化剂材料。
作为优选，所述的电气石粉末粒度范围为1000-5000目；
作为优选，所述的电气石粉末的高温处理温度为600-1200℃；
作为优选，所述的电气石粉末的高温处理时间为0.5-20h；
作为优选，所述的电气石粉末水淬的冷水温度为-20-50℃；
作为优选，所述的电气石粉末的水淬固液质量比为1∶(10-100)；
作为优选，所述的MnII盐可以选用硫酸锰、硝酸锰、碳酸锰、氯化锰中的任意一种或多种；
作为优选，所述的FeIII盐可以选用硫酸铁、硝酸铁、氯化铁的任意一种或多种；
作为优选，所述的CuII盐可以选用硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的任意一种或多种；
作为优选，所述的MnII、CuII盐和FeIII的投料摩尔比为1∶(0.05-0.3)∶(0.05-0.2)；
作为优选，所述的高能效电气石粉末占二氧化锰、氧化铜和氧化铁的总质量比为1-10％：
作为优选，所述的沉淀反应中电气石粉末、MnII盐、FeIII盐和CuII盐的总量和水的质量比范围为1∶(5-50)；
作为优选，所述的碱可以选用氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水中的任意一种或多种；
作为优选，所述的沉淀反应中混合反应液的pH调节至7.8-11范围内；
作为优选，所述的沉淀反应中反应温度范围为0-95℃；
作为优选，所述的沉淀反应时间为1-30h；
作为优选，所述的高温煅烧温度为300-400℃；
作为优选，所述的高温煅烧时间为1-10h；
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、添加对人体有益的成分——电气石，在净化空气的同时对使用者起到保健的作用；
2、采用简单的工艺对电气石粉末进行前处理，得到了具有高能的电气石原料，显著提高了其保健效果；
3、采用液相原位反应，在电气石核上直接生成包覆二氧化锰、氧化铜和氧化铁，各种成分充分复合，结合力强，同时具有协同作用；
4、制备过程简单，成本低。
附图说明
图1为该保健型空气净化复合催化剂材料制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
将2.4g电气石粉末在1200℃下煅烧2h，在降温前将其迅速倒入至120g水温为10℃的水中，待冷却后过滤得到高能电气石粉待用。将上述高温水淬处理后得到的高能电气石粉配制成2386.3g含有0.1wt％电气石的水悬浮液，向其中依次加入33.8g一水硫酸锰、8.08g九水硝酸铁和6.82g二水氯化铜，再加入氢氧化钠调节反应液的pH至9.0，加热至50℃下搅拌反应10h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到350℃的高温炉中煅烧4h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
甲醛净化效率检测：取1.00g上述制备的空气净化复合催化剂材料置于直径为6mm的玻璃管内的砂芯上进行催化性能测试。气泵分别与甲醛发生器和玻璃管底部相连接，而顶部与气相色谱仪相连。当甲醛发生器内产生甲醛含量为1000ppm的空气后经过气泵运送至玻璃管内与复合催化剂材料进行反应，空气添加量为500mL/min，最后再通过玻璃管到达气相色谱仪中，再由气相色谱仪测出尾气中残留甲醛的含量。用以检测空气净化复合催化剂材料对甲醛的催化分解性能。
臭氧净化效率检测：将上述复合催化剂材料性能测试样品玻璃管的底部和气泵(连接着臭氧发生器的出气口)相连，顶部与紫外分光光度计在线检测仪相连。当臭氧发生器内产生臭氧含量为100ppm的空气后由其出气口排出，含臭氧的空气添加量为800mL/min，再经气泵运送至玻璃管内与复合催化材料进行反应，最后再从玻璃管顶部溢出至与之相连接的紫外分光光度计中，由检测仪测出尾气中臭氧的含量。用以检测空气净化复合催化剂材料对臭氧的催化分解性能。
TVOC净化效率检测：利用苯/甲苯/二甲苯发生器产生所需浓度的苯/甲苯/二甲苯气体，利用气泵将产生的含有苯/甲苯/二甲苯的空气运输至上述复合催化剂材料性能测试样品玻璃管内进行测试，再将玻璃管的顶部与气相色谱仪相连接，用于检测玻璃管内所溢出尾气中苯/甲苯/二甲苯的浓度。当泵将苯/甲苯/二甲苯含量为1000ppm的空气运送至玻璃管底部逐步与复合材料进行催化氧化反应，其反应后的尾气从玻璃管顶部达到气相色谱仪内，其中残留的苯/甲苯/二甲苯浓度也会被检测出来。用以检测空气净化复合催化剂材料对苯/甲苯/二甲苯的催化分解性能。
负离子释放量检测：将150g上述前处理之后的电气石样品均匀涂布平面上，放置在60L密封玻璃仓内，24小时候使用直读负离子测定仪测定箱中负离子浓度。
经过上述检测，本实施例中所制备的保健型空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率及负离子释放量如下表所示：
项目 甲醛 苯 甲苯 二甲苯 臭氧 负离子释放量
1h净化效率 93％ 81％ 84％ 82％ 98％ 1800IONS
实施例2
将2.4g电气石粉末在600℃下煅烧20h，在降温前将其迅速倒入至240g水温为-20℃的水中，待冷却后过滤得到高能电气石粉待用。将上述高温水淬处理后得到的高能电气石粉配制成2386.3g含有0.1wt％电气石的水悬浮液，向其中依次加入39.6g四水氯化锰、5.26g七水硫酸铁和5.0g五水硫酸铜，再加入氢氧化钾调节反应液的pH至7.8，在室温下搅拌反应20h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到300℃的高温炉中煅烧10h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
测试方法和测试条件同实施例1。经过检测实验发现，本实施例中所制备的保健型空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率及负离子释放量如下表所示：
项目 甲醛 苯 甲苯 二甲苯 臭氧 负离子释放量
1h净化效率 94％ 83％ 85％ 87％ 99％ 1900IONS
实施例3
将1g电气石粉末在900℃下煅烧5h，在降温前将其迅速倒入至80g水温为0℃的水中，待冷却后过滤得到高能电气石粉待用。将上述高温水淬处理后得到的高能电气石粉配制成190g含有0.05wt％电气石的水悬浮液，向其中依次加入35.88g六水硝酸锰、10.13g六水氯化铁和1.51g三水硝酸铜，再加入氨水调节反应液的pH至10.0，在0℃下搅拌反应30h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到400℃的高温炉中煅烧1h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
测试方法和测试条件同实施例1。经过检测实验发现，本实施例中所制备的保健型空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率及负离子释放量如下表所示：
项目 甲醛 苯 甲苯 二甲苯 臭氧 负离子释放量
1h净化效率 95％ 88％ 82％ 81％ 99％ 2000IONS
实施例4
将2.2g电气石粉末在800℃下煅烧6h，在降温前将其迅速倒入至180g水温为50℃的水中，待冷却后过滤得到高能电气石粉待用。将上述高温水淬处理后得到的高能电气石粉配制成1441.6g含有0.15wt％电气石的水悬浮液，向其中依次加入33.8g一水硫酸锰、8.1g六水氯化铁和0.5g五水硫酸铜，再加入氢氧化钙调节反应液的pH至8.5，加热至95℃下搅拌反应1h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到375℃的高温炉中煅烧2h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
测试方法和测试条件同实施例1。经过检测实验发现，本实施例中所制备的保健型空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率及负离子释放量如下表所示：
项目 甲醛 苯 甲苯 二甲苯 臭氧 负离子释放量
1h净化效率 98％ 85％ 85％ 82％ 99％ 2200IONS
实施例5
将0.6g电气石粉末在1000℃下煅烧4h，在降温前将其迅速倒入至12g水温为10℃的水中，待冷却后过滤得到高能电气石粉待用。将上述高温水淬处理后得到的高能电气石粉配制成702.8g含有0.08wt％电气石的水悬浮液，向其中依次加入39.6g四水氯化锰、6.5g九水硝酸铁和4.1g二水氯化铜，再加入氢氧化钠调节反应液的pH至11.0，加热至70℃下搅拌反应5h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到320℃的高温炉中煅烧6h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
测试方法和测试条件同实施例1。经过检测实验发现，本实施例中所制备的保健型空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率：及负离子释放量如下表所示：
项目 甲醛 苯 甲苯 二甲苯 臭氧 负离子释放量
1h净化效率 96％ 85％ 82％ 89％ 99％ 1700IONS
对比例1
在702.8g水中依次加入39.6g四水氯化锰、6.5g九水硝酸铁和4.1g二水氯化铜，再加入氢氧化钠调节反应液的pH至11.0，加热至70℃下搅拌反应5h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到320℃的高温炉中煅烧6h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
测试方法和测试条件同实施例1。经过检测实验发现，本对比例中所制备的空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率及负离子释放量如下表所示：
对比例2
将2.4g电气石粉末加入至120g水温为10℃的水中，过滤后待用。将上述电气石粉配制成2386.3g含有0.1wt％电气石的水悬浮液，向其中依次加入33.8g一水硫酸锰、8.08g九水硝酸铁和6.82g二水氯化铜，再加入氢氧化钠调节反应液的pH至9.0，加热至50℃下搅拌反应10h后再清洗过滤得到前躯体滤渣；将上述滤渣放入到350℃的高温炉中煅烧4h后，冷却得到空气净化复合催化剂材料。
测试方法和测试条件同实施例1。经过检测实验发现，本对比例中所制备的空气净化复合催化剂材料对甲醛、苯、甲苯、二甲苯和臭氧等有害物质的一次净化率及负离子释放量如下表所示：
项目 甲醛 苯 甲苯 二甲苯 臭氧 负离子释放量
1h净化效率 68％ 60％ 58％ 62％ 64％ 300IONS
由此可见，实施例1-5采用液相原位反应，在电气石核上直接生成包覆二氧化锰、氧化铜和氧化铁，产生了协同作用，大大提高了空气净化复合催化剂材料的催化能力。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种保健型空气净化复合催化剂材料，其特征在于，该复合催化剂材料具有核壳结构，其中，高能电气石为核，二氧化锰、氧化铜和氧化铁为壳包覆电气石核，高能电气石占二氧化锰、氧化铜和氧化铁的总质量的1-10％，高能电气石是电气石粉末经过高温处理冷淬后得到的。
2.一种根据权利要求1所述的保健型空气净化复合催化剂材料的制备方法，其特征在于，将电气石粉末进行高温处理，高温处理后不降温将其迅速倒入冷水中水淬，急冷，经过冷却过滤得到高能电气石粉末；在水中分散高能电气石粉末形成悬浊液，然后依次加入MnII盐、FeIII盐和CuII盐，再用碱调节pH至碱性并搅拌进行沉淀反应，再经过清洗、过滤得到前躯体滤渣；
将所述前躯体滤渣进行高温煅烧，冷却后得到所述保健型空气净化复合催化剂材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述的电气石粉末粒度范围为1000-5000目。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其中，所述的电气石粉末的高温处理温度为600-1200℃。
5.根据权利要求2-4任一项权利要求所述的制备方法，其中，所述的电气石粉末的高温处理时间为0.5-20h。
6.根据权利要求2-5任一项权利要求所述的制备方法，其中，所述的电气石粉末水淬的冷水温度为-20-50℃。
7.根据权利要求2-6任一项权利要求所述的制备方法，其中，所述的电气石粉末的水淬固液质量比为1∶(10-100)。
8.根据权利要求2-7任一项权利要求所述的制备方法，其中，所述的MnII盐选用硫酸锰、硝酸锰、碳酸锰、氯化锰中的任意一种或多种。
9.根据权利要求2-8任一项权利要求所述的制备方法，其中，所述的FeIII盐选用硫酸铁、硝酸铁、氯化铁的任意一种或多种。
10.根据权利要求2-9任一项权利要求所述的制备方法，其中，所述的CuII盐选用硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的任意一种或多种。
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