CN106732640B - 一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法 - Google Patents

一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法。本发明所述网板主要应用于空气净化器,目的是除去环境中残留的臭氧。所述的以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板具有吸附臭氧能力强、性能稳定和成本低的特点,室温下可快速降低臭氧浓度至国标规定限值内。

Description

一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法
技术领域
本发明涉及室内空气净化技术领域。更具体地,涉及一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法及含有所述网板的空气净化器。
背景技术
臭氧是强氧化剂,也是广谱杀菌消毒剂,可广泛应用于各种水质处理、医疗卫生、食品保鲜以及去除难降解物质等,但是由于臭氧的利用率较低,在实际使用过程中,往往会产生大量的残留臭氧。如果这些残留的臭氧直接排放到大气中,势必造成环境污染。另外,来自机舱、复印机和高压放电等产生的臭氧也将直接影响环境空气,当臭氧浓度超过0.06mg·m-3时就会对人体产生一定的危害。因此,在臭氧排出前进行处理,将其转化为无害物质非常必要。
用于臭氧分解的催化剂可实现对臭氧的清洁去除,不产生二次污染,耗能小。目前,用于臭氧分解的催化剂活性组分主要有以下几种:贵金属、过渡金属氧化物、锰的化合物。贵金属臭氧催化剂主要是含有铂、钯、铑等成分的催化剂,在已经公开的技术方案中用到含贵金属成分的催化剂的催化分解性能较好,但成本高,且技术方案中有的会用到水蒸气,但水蒸气的存在会抑制臭氧分解过程,使用一段时间后必须加热再生,使其应用受到较大限制。还有一种过渡金属氧化物催化剂,这是一种相对廉价的臭氧分解催化剂,如K.Kodama在其申请中就是将过渡金属氧化物CoOx和NiOx负载到硅胶上得到的催化剂,此类催化剂对脱臭、脱色、杀菌、分解有机物后剩余臭氧的分解特别有效,但其分解效率较低,使用寿命短,且使用时必须存在一定的水汽环境,对使用环境要求较高,难以推广使用。此外,锰的化合物催化剂也是研究较多的一种催化剂,Oyama等在Al2O3载体的臭氧分解研究工作中得出了MnO2活性好的结论,此后大多数研究者的工作都是在以含有MnO2为基础的催化剂上进行改性的,但在以此制成的臭氧催化剂存在制备工艺较复杂,且应用条件受到限制的缺点,仍然不能满足需要。
现有技术的臭氧分解催化剂制备中大都采用活性炭或分子筛做载体。例如CN104646020A公开了一种催化剂及其制备方法,其活性组分载体采用改性活性炭;CN101757933B公开了锰或铁氧化物作为主活性组分,金属泡沫镍作为催化剂载体和催化剂助活性组分,锰或铁氧化物的制备方法是通过泡沫镍载体浸渍锰和铁的前驱体溶液后在空气中高温煅烧。
活性炭等载体在强氧化的臭氧氛围中不稳定,消耗速度快且大幅降低其吸附性能,最终导致分解臭氧性能下降。以泡沫镍为载体会增加生产成本,且生产工艺中用泡沫镍浸渍活性组分溶液后,高温煅烧处理会使催化剂活性组分烧结。
空气净化器是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物(一般包括PM2.5、粉尘、花粉、异味、甲醛之类的装修污染、细菌、过敏原等),有效提高空气清洁度的家电产品。
本发明在空气净化器上增加除臭氧的功能,以更好地满足市场对空气净化器的需求。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法。
本发明的另一个目的在于为空气净化器提供按上述方法制备的网板,使空气净化器具有高效快速去除室内空气中臭氧的能力。
为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法,该方法包括以下制备步骤:
(1)配制前驱体溶液:以去离子水溶解所述臭氧分解催化剂的活性组分的前驱体,充分搅拌均匀;随后加入改性海泡石,充分搅拌2-5h;
(2)水热反应:缓慢加入高锰酸钾溶液至上述前驱体溶液中,将混合液转入水热釜中,在140-150℃温度下反应12-15h,自然冷却,并离心分离、干燥产物,制得以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂;
(3)浸渍法担载催化剂:按1:0.1-1:5-15的质量比配制含有所述臭氧分解催化剂、Na2SiO3和去离子水的混合液,通过浸渍法在金属网板上均匀包覆所述臭氧分解催化剂,并于鼓风干燥箱中干燥,制得包覆有以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂的网板。
优选地,步骤(1)所述的臭氧分解催化剂包括催化剂载体和催化剂活性组分。
优选地,所述催化剂活性组分包括催化剂主活性组分和助活性组分;所述催化剂的主活性组分为二氧化锰,所述催化剂的助活性组分氧化铁和氧化铈。
优选地,所述前驱体包括催化剂主活性组分前驱体和催化剂助活性组分前驱体。
优选地,所述催化剂主活性组分前驱体包括氯化锰,所述催化剂助活性组分前驱体包括硝酸铈。
优选地,步骤(1)所述改性海泡石为酸改性海泡石。
优选地,所述改性海泡石、催化剂主活性组分与催化剂助活性组分的质量比为1:0.2-0.9:0-0.2。
优选地,步骤(2)所述高锰酸钾溶液的浓度为2.5-3.7mol/L。
优选地,步骤(3)所述的金属网板的材质为不锈钢,通过浸渍法使其表面均匀覆盖臭氧分解催化剂。
优选地,步骤(3)所述的浸渍时间为每次5-10min,浸渍之后进行干燥,
重复浸渍和干燥5-8次,直至所述金属网板表面均匀覆盖臭氧分解催化剂。
一种含有由所述制备方法制备出的网板的空气净化器。
本发明的有益效果如下:
使用改性海泡石为载体,其比表面积大,易吸附大量臭氧,且在催化剂分解臭氧过程中,海泡石性能稳定,不易被氧化消耗;其次,本发明所述的海泡石载体相比金属泡沫镍、γ-Al2O3、分子筛和碳化硅等成本低;最后,本发明所采用的水热法比高温煅烧法节能,并且避免因高温烧结导致催化剂活性不同程度下降的问题。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
本发明为制备以改性海泡石负载锰基臭氧分解催化剂的网板的方法,本发明方法为按比例以去离子水溶解催化剂活性组分前驱体,充分搅拌均匀形成混合液;加入改性海泡石至上述混合液,充分搅拌;随后转移上述溶液至水热釜,通过水热法制得改性海泡石负载臭氧分解催化剂;最后配制含上述臭氧分解催化剂的粘合液,以金属网板为催化剂担体,充分在粘合液中浸渍金属网板并于鼓风干燥箱中干燥,制得表面包覆改性海泡石负载锰基臭氧分解催化剂的网板。
实施例1
1.对催化剂的载体进行改性
催化剂的载体选用改性海泡石,改性海泡石通过对原矿海泡石进行下述步骤处理得到:
A.提纯:对原矿海泡石粉按液固比为5:1的比例用去离子水浸泡,然后搅拌﹑静置2h﹑待水分层,上层悬浮液抽滤去掉后,洗涤5次,干燥后粉碎海泡石至粒度为100目;
B.酸处理:加入上述提纯海泡石到15wt%硝酸溶液中,在20℃搅拌2h,硝酸溶液与海泡石的质量比为10:1;反应完毕除去上清液并用去离子水清洗海泡石至中性,固体在105℃烘干2h,磨细为100目颗粒待用。
2.改性海泡石负载催化剂活性组分
a.溶解2.3g MnCl2和0.2g Fe2O3至200g去离子水中形成混合液,超声5min,使分散均匀;
b.加入制备好的改性海泡石在步骤a的混合液中,机械搅拌3h,使改性海泡石充分浸渍;
c.加入40ml KMnO4溶液(含1.55g KMnO4)至步骤b形成的混合液中,搅拌20min形成混合体系;
d.转移步骤c的混合体系至水热釜中,在140℃反应12h制得负载活性组分的改性海泡石;洗涤干燥负载活性组分的改性海泡石,制得最终的臭氧分解催化剂。
3.金属网板担载臭氧分解催化剂:
按1:0.5:10质量比配制臭氧分解催化剂、Na2SiO3和去离子水的混合液。以不锈钢网板为催化剂担体,每次浸渍的时间为5min,浸渍之后取出在鼓风机中进行干燥;浸渍和干燥步骤重复6次,直至金属网板表面均匀覆盖臭氧分解催化剂,制得包覆臭氧分解催化剂的金属网板。
实施例2
1.对催化剂的载体进行改性:
催化剂的载体选用改性海泡石,改性海泡石是对原矿海泡石进行下述步骤处理得到:
a.提纯:将海泡石按液固比为5:1的比例用去离子水浸泡,然后搅拌﹑静置2h﹑待水分层,上层悬浮液抽滤去掉后,将海泡石洗涤5次,干燥后粉碎至粒度为100目;
b.酸处理:加入上述提纯海泡石到15wt%硝酸溶液中,在20℃搅拌2h,硝酸溶液与海泡石的质量比为10:1;反应完毕除去上清液并用去离子水清洗海泡石至中性,固体在105℃烘干2h,磨细为100目颗粒待用。
2.改性海泡石负载催化剂活性组分
a.溶解3.350g MnCl2、0.330g Fe2O3、0.7687g Ce(NO3)3·6H2O于200g去离子水中形成混合液,超声5min,使分散均匀;
b.加入制备好的改性海泡石在步骤a的混合液中,机械搅拌3h,使改性海泡石充分浸渍;
c.加入40ml KMnO4溶液(含2.325g KMnO4)至步骤b形成的混合液中,搅拌20min形成混合体系;
d.转移步骤c的混合体系至水热釜中,在140℃反应15h制得负载活性组分的改性海泡石;洗涤干燥负载活性组分的改性海泡石,制得最终的臭氧分解催化剂。
3.金属网板担载臭氧分解催化剂
按1:0.5:10质量比配制臭氧分解催化剂、Na2SiO3和去离子水的混合液。以不锈钢网板为催化剂担体,每次浸渍的时间为5min,浸渍之后取出在鼓风机中进行干燥;浸渍和干燥步骤重复6次,直至金属网板表面均匀覆盖臭氧分解催化剂,制得覆盖臭氧分解催化剂的金属网板。
对比例1
1.对催化剂的载体进行改性
催化剂的载体选用改性海泡石,对海泡石改性的方法如下:
a.提纯:将海泡石按液固比为15:1的比例用去离子水浸泡,然后搅拌﹑静置2h﹑待水分层,上层悬浮液抽滤去掉后,将海泡石洗涤5次,干燥后粉碎至粒度为90目;
b.酸处理:将上步提纯后的海泡石放入浓度为15wt%的硫酸溶液中在20℃的温度下搅拌2h,硫酸溶液与海泡石的质量比为10:1;反应完毕除去上清液并用去离子水清洗海泡石至中性,固体在105℃烘干2h,磨细待用。
2.改性海泡石负载活性组分
b.加入制备好的改性海泡石在步骤a的混合液中,机械搅拌3h,使改性海泡石充分浸渍;
c.加入20ml KMnO4溶液(含2.325g KMnO4)至步骤b形成的混合液中,搅拌160min形成混合体系;
d.过滤,干燥滤渣,研磨滤渣后在马弗炉500℃煅烧10h,制备得臭氧分解催化剂。
3.金属网板担载臭氧分解催化剂
按1:0.5:10质量比配制臭氧分解催化剂、Na2SiO3和去离子水的混合液。以不锈钢网板为催化剂担体,每次浸渍的时间为5min,浸渍之后取出在鼓风机中进行干燥;浸渍和干燥步骤重复6次,直至金属网板表面均匀覆盖臭氧分解催化剂,制得覆盖臭氧分解催化剂的金属网板。
效果测试
依次在同一款空气净化器中安装上述实施例1、实施例2和对比例1所制备的金属网板,并进行性能测试。测试的条件为:17-22℃,环境湿度65-75%,实验舱体积3m3。空气净化器置于实验舱内,三次测试的舱内初始臭氧浓度基本保持一致。开启空气净化器的净化档,运转空气净化器内风机使实验舱内空气连续循环通过臭氧分解催化剂网板去除臭氧。隔一定时间对实验舱的空气取样检测。
检测结果如表1所示。净化效果表明:安装实施例1和2所制得金属网板的空气净化器具有较好的净化效果,20min内即可快速去除97%以上的臭氧浓度。进一步开启实施例2中净化档40min后,臭氧浓度(C40)快速降低到0.0353mg/m3(<0.1mg/m3),完全符合国家卫生部标准GB 18066-2000“居住区大气中臭氧卫生标准”和GB/T 18202-2000“室内空气中臭氧卫生标准”对臭氧安全排放的严格要求,即居民区空气中臭氧一小时平均最高允许浓度为0.1mg/m3
表1.实施例和对比例所制备臭氧分解催化剂网板的测试结果
注:C0指开启空气净化器时实验舱内初始臭氧浓度;C20指开启空气净化器的净化档运行20min后,实验舱的平均臭氧浓度mg/m3
对比例1中,臭氧分解效率较低,可能是金属网板上的催化剂经烧结后活性降低所造成。该结果可由专利CN105289585A的观点来分析,即在高温烧结过程中,催化剂颗粒表面的活性组分会发生聚集而使颗粒分散度降低,从而降低活性。另外,从高温煅烧对设备要求高、能耗高的角度而言,高温煅烧法不利于行业推广。本发明提出的水热法制备臭氧分解催化剂过程中,活性组分均匀分散在溶液系统中,相比高温烧结法不仅能耗低,且臭氧分解活性高。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板的制备方法,其特征在于:其包括以下制备步骤:
(1)配制前驱体溶液:以去离子水溶解所述臭氧分解催化剂的活性组分的前驱体,充分搅拌均匀;随后加入改性海泡石,充分搅拌2-5h;
(2)水热反应:缓慢加入高锰酸钾溶液至上述前驱体溶液中,将混合液转入水热釜中,在140-150℃温度下反应12-15h,自然冷却,并离心分离、干燥产物,制得以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂;
(3)浸渍法担载催化剂:按1:0.1-1:5-15的质量比配制含有所述臭氧分解催化剂、Na2SiO3和去离子水的混合液,通过浸渍法在金属网板上均匀包覆所述臭氧分解催化剂,并于鼓风干燥箱中干燥,制得包覆有以改性海泡石为载体的臭氧分解催化剂网板;
其中,步骤(1)所述改性海泡石为酸改性海泡石。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的臭氧分解催化剂包括催化剂载体和催化剂活性组分。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述催化剂活性组分包括催化剂主活性组分和助活性组分;所述催化剂的主活性组分为二氧化锰,所述催化剂的助活性组分氧化铁和氧化铈。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述前驱体包括催化剂主活性组分前驱体和催化剂助活性组分前驱体。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述催化剂主活性组分前驱体包括氯化锰,所述催化剂助活性组分前驱体包括硝酸铈。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述改性海泡石、催化剂主活性组分与催化剂助活性组分的质量比为1:0.2-0.9:0-0.2。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述的金属网板的材质为不锈钢,通过浸渍法使其表面均匀覆盖臭氧分解催化剂。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述的浸渍时间为每次5-10min,浸渍之后进行干燥,重复浸渍和干燥5-8次,直至所述金属网板表面均匀覆盖臭氧分解催化剂。
9.一种含有如权利要求1所述的制备方法制备的网板的空气净化器。
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