CN106902574B - 一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于玻璃纤维和纳米氧化铝纤维骨架，以硅溶胶为中间介质复合分子筛和钛锰氧化物纳米颗粒的异味消除滤芯设计及其制备技术和应用，本发明中基于玻璃纤维和纳米氧化铝纤维骨架，以硅溶胶为中间介质复合分子筛和钛锰氧化物纳米颗粒的滤芯可以广泛用于异味消除，空气净化，水体净化等方面，适应于各种工作温度需求和场合。

Description

一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯及其制 备方法和应用
技术领域
本发明涉及环境新材料领域，具体涉及基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架复合分子筛和钛锰纳米颗粒氧化物的空气净化滤芯以及制备方法和应用。
背景技术
身处现代都市的人们，正在经历形形色色的室内环境污染，严重影响着生活的质量。室内环境的污染源，有来自人体的微生物和二氧化碳，有使用煤、液化石油气等燃料产生的一氧化碳等有害物质，有家具、各种洗涤清洁剂释放出来的甲醛等有机污染物，还有很多来自家养宠物产生的异味。实验证明，如果空间一旦变得狭小，而人又密集成堆，人味毒在人群聚集空间的浓度就会增加很多，这时就会对人体健康产生威胁，如果在这样一个空间停留时间稍长，就会感到胸闷、气促、头晕目眩、头疼心烦。夏季十分拥挤的车船，人口稠密的大都市和冬季密封的住房等处，常会有一种扑鼻难闻的异味。随着生活水平的提高，人们不断追求舒适、卫生的生活环境，而空气中的臭气、异味，不但令人不愉快、对身体健康也有危害。所以日常生活中，人们对室内空气净化的需求也不断增加，各种各样的空气净化方式也应运而生。现今市场上有很多去除室内装修或家具产生的甲醛等有机污染物的净化器滤芯，也有能够去除异味分子的各种物理化学除臭剂，但尚缺乏既能够吸附PM2.5、甲醛等有机污染物，同时又能够除室内异味分子（如氨气、硫化氢等）的复合异味消除空气净化方式。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明解决的问题为：提供一种可吸附分解有机污染气体的空气净化滤芯。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案如下：
一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯，包括玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、分子筛、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒；所述的玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、分子筛、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒的质量分数比为：58～62：8～12：1.9～2.1：1.9～2.1；所述的空气净化滤芯的外形结构呈矩形网格空隙结构。
进一步，所述的空气净化滤芯的厚度为5～10cm，空气净化滤芯上的网状体呈边长为3mm、小角为60度的菱形结构。
进一步，所述的二氧化锰纳米颗粒表现为粒径为100～500nm的颗粒；所述的二氧化钛纳米颗粒为粒径5～25nm的固体颗粒；所述的二氧化钛纳米颗粒为锐矿型。
进一步，所述的分子筛为5A分子筛，粒径为49～51μm的固体颗粒。
一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，包括如下步骤：
（1）滤芯骨架的制备：首先将玻璃纤维和氧化铝纤维与5A分子筛进行混合，在590～610℃下压制成矩形网状结构的滤芯骨架；
（2）5A分子筛颗粒的制备：使用塔式工业研磨机（GTM-25）对5A分子筛进行处理，将分子筛置于烘箱进行烘烤，得到干燥的微米级分子筛颗粒；
（3）二氧化锰纳米颗粒制备：将KMnO4和MnSO4进行加热混合反应；将反应所得溶液离心、去除上清、加入去离子水洗涤，然后进行烘干、老化、粉碎，得到固体二氧化锰纳米颗粒；
（4）二氧化钛和二氧化锰硅溶胶制备：将二氧化钛纳米颗粒与二氧化锰纳米颗粒溶于质量体积分数为70%的硅溶胶中，控制最终的二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒浓度为0.2mg/mL，使用电动搅拌器搅拌0.5小时，即得二氧化钛和二氧化锰硅溶胶；
（5）二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒与滤芯骨架复合：将步骤（1）所得滤芯骨架浸泡在步骤（4）中所得二氧化钛和二氧化锰硅溶胶中，浸泡0.8至1.2小时后取出，在88至92℃环境下干燥2.8至3.2小时，反复重复三次；
（6）老化定型：将步骤（5）所得产品置于烘箱中进行老化，再将所得滤芯置于风道中，得到最终的空气净化滤芯。
进一步，所述的步骤（2）中的塔式工业研磨机的功率为3kW，研磨时间为1小时；控制烤箱的温度为120℃，烘烤时间为8小时。
进一步，所述的步骤（3）中，KMnO4的浓度分别为0.5mg mL-1，所述MnSO4的浓度为0.2mg mL-1，将KMnO4 和MnSO4溶液按1:1～1:1.2的体积比混合，加热反应时间为40～48小时；将反应所得溶液离心清洗3次，烘干老化的温度控制为115～125℃，烘干老化时间控制为10～12小时。
进一步，所述的步骤（6）中，烘箱的温度为200至240℃，老化时间为11至13小时，所述的风道直径为49至51cm、风量为1495至1505m3/h，所述净化滤芯置于风道中的时间为2.8至3.2小时。
一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的应用，应用于快速吸附分解异味气体的净化滤芯。
进一步，应用于有机污染物气体和固体颗粒吸附的净化滤芯。
本发明的有益效果
（1）相对于一般滤芯，本滤芯的玻璃纤维和氧化铝纤维骨架菱形孔道设计，保证了气流通过时受到的阻力极大地降低，同时由于玻璃纤维之间间隙的存在，进一步增加了空气流通的途径，降低风阻，风阻远低于传统的一般海绵碳滤膜。
（2）本滤芯的异味分子吸附速率极快，在30m3国标测试舱中，40分钟氨气吸附效率达到95%以上，分子筛作为高性能气体吸附材料，能够以极快的速率吸附空气中各种气味分子和有机污染物分子，其吸附性载量也极大，同时硅溶胶在热处理之后形成的多孔结构能够进一步增强吸附能力和载量。
（3）本滤芯创新采用吸附催化分解机制，无二次污染，在吸附异味分子和挥发性有机污染物分子的同时，纳米催化剂能够在常温催化分解异味分子和挥发性有机污染物分子，使其快速分解，达到彻底消除异味分子和挥发性有机污染物分子的目的，避免了被吸附气体的再次逸出，造成二次污染。
（4）本滤芯具备自行再生能力，分子筛等多孔结构吸附的气体分子在常温下被催化剂分解，能够释放更多的分子牢笼和微孔结构用于吸附更多的气体，从而达到滤芯吸附能力再生的目的。
（5）本滤芯使用过程中无需更换，对于气体催化分解机制，由于催化剂在催化反应中并不会消耗，分子筛吸附能力能够再生，可以使得本滤芯长期高效用于异味气体和挥发性有机污染物吸附消除，具备极长的使用寿命。
（6）本发明用于常温下快速吸附分解异味气体，吸收分解有机污染物气体和固体颗粒污染物，吸附速率高，气体吸附载量大，吸附能力自行再生，分解效率高，速率快，可重复使用，可长期储存，风阻小，具有长效的有害气体吸附分解能力，适宜各种需要空气滤膜的场合。
附图说明
图1为玻璃纤维和氧化铝纤维骨架结构示意图。
图2为微米级玻璃纤维的扫描电镜图。
图3 为研磨加工后的分子筛的扫面电镜图像。
图4 为二氧化锰纳米颗粒扫描电镜图像。
图5 为二氧化钛纳米颗粒透射电镜图像。
图6为二氧化钛纳米颗粒的透射电镜电子衍射图谱。
图7为氨气消除曲线对比图。
图8为硫化氢消除曲线对比图。
图9 为甲醛消除曲线对比图。
图10为甲苯消除曲线对比。
图11为滤芯内部氨气、硫化氢气体的消除曲线图。
图12为滤芯内部甲醛、甲苯气体的消除曲线图。
图13为一般滤芯与本发明的除异味滤芯风阻对比图。
其中，图7、图8、图9、图10中上方的黑色线表示本发明的消除异味滤芯，下方的表示一般滤芯；图11中上方线条代表氨气、下方线条代表硫化氢；图12中上方线条代表甲醛、下方线条代表甲苯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。
一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯，包括玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、分子筛、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒。玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、分子筛、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒的质量分数比为：58～62：8～12：1.9～2.1：1.9～2.1。如图1和2所示，所述的空气净化滤芯的外形结构呈矩形网格空隙结构。玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、分子筛、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒的质量分数优选比为：6：10：2：2。进一步优选，所述的空气净化滤芯的厚度为5～10cm，空气净化滤芯上的网状体呈边长为3mm、小角为60度的菱形结构。如图4所示，进一步优选，所述的二氧化锰纳米颗粒表现为粒径为100～500nm的颗粒。如图5和6所示，所述的二氧化钛纳米颗粒为粒径5～25nm的固体颗粒；所述的二氧化钛纳米颗粒为锐矿型。如图3所示，进一步优选，所述的分子筛为5A分子筛，粒径为49～51μm的固体颗粒。
本发明的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，包括如下步骤：（1）滤芯骨架的制备：首先将玻璃纤维和氧化铝纤维与5A分子筛进行混合，在590～610℃下压制成矩形网状结构的滤芯骨架，可优选温度为600℃；（2）5A分子筛颗粒的制备：使用塔式工业研磨机（GTM-25）对5A分子筛进行处理，将分子筛置于烘箱进行烘烤，得到干燥的微米级分子筛颗粒；塔式工业研磨机的功率为3kW，研磨时间为1小时；控制烤箱的温度为120℃，烘烤时间为8小时；（3）二氧化锰纳米颗粒制备：将KMnO4和MnSO4进行加热混合反应；将反应所得溶液离心、去除上清、加入去离子水洗涤，然后进行烘干、老化、粉碎，得到固体二氧化锰纳米颗粒；KMnO4的浓度分别为0.5mg mL-1，所述MnSO4的浓度为0.2mg mL-1，将KMnO4 和MnSO4溶液按1:1～1:1.2的体积比混合，加热反应时间为40～48小时；将反应所得溶液离心清洗3次，烘干老化的温度控制为115～125℃，烘干老化时间控制为10～12小时；（4）二氧化钛和二氧化锰硅溶胶制备：将二氧化钛纳米颗粒与二氧化锰纳米颗粒溶于质量体积分数为70%的硅溶胶中，控制最终的二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒浓度为0.2mg/mL，使用电动搅拌器搅拌0.5小时，即得二氧化钛和二氧化锰硅溶胶；（5）二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒与滤芯骨架复合：将步骤（1）所得滤芯骨架浸泡在步骤（4）中所得二氧化钛和二氧化锰硅溶胶中，浸泡0.8至1.2小时后取出，在88至92℃环境下干燥2.8至3.2小时，反复重复三次；（6）老化定型：将步骤（5）所得产品置于烘箱中进行老化，再将所得滤芯置于直径为风道中，得到最终的空气净化滤芯，烘箱的温度为200至240℃，老化时间为11至13小时，所述的风道直径为49至51cm、风量为1495至1505m3/h，所述净化滤芯置于风道中的时间为2.8至3.2小时。 一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的应用，应用于快速吸附分解异味气体的净化滤芯。进一步优选，应用于有机污染物气体和固体颗粒吸附的净化滤芯。
下面对本发明基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的各项性能进行实施例测试：
实施例1 本发明对氨气、硫化氢的吸附效率测试。
测试对象为普通活性炭吸附滤芯和本发明空气净化滤芯，使用30立方米的有机挥发物吸收测试仓，首先在测试仓中分别加入氨气，硫化氢等异味气体，使用内置风扇使其气体分子分布均匀，然后放入测试样品滤膜，使用格林新风CA-700型空气净化器，进行内部空气循环对流，使用内置氨气和硫化氢检测器检测异味气体含量，记录并处理数据，得到异味气体分子的吸收曲线。本发明空气净化滤芯比普通活性炭滤芯吸收速率高5倍，如图7和如图8所示。
实施例2 本发明对甲醛、甲苯气体的吸附效率测试。
测试对象为普通活性炭吸附滤芯和基于玻璃纤维和本发明空气净化滤芯，使用30立方米的有机挥发物吸收测试仓，首先在测试仓中分别加入甲醛，甲苯等有机挥发物，使用内置风扇使其气体分子分布均匀，然后放入测试样品滤膜，使用格林新风CA-700型空气净化器，进行内部空气循环对流，使用内置TVOC检测器检测VOC含量，记录并处理数据，得到异味气体分子的吸收曲线。本发明空气净化滤芯比普通活性炭滤芯吸收速率高6倍，如图9和图10所示。
实施例3 本发明净化滤芯内的吸附气体的分解效率测试。
测试对象为前述吸收了氨气、硫化氢、甲醛、甲苯的本发明空气净化滤芯，使用探头型TVOC检测器检测在滤芯内记录TVOC浓度，得到异味气体分子的分解消除曲线；使用探头型氨气，硫化氢检测器在滤芯内部记录异味分子浓度。本发明的空气净化滤芯内部的气体分子，氨气和硫化氢在1小时内从60ppm降低到2ppm，甲醛和甲苯在1小时内从80ppm降低到0.2ppm，如图11和12所示。
实施例4 本发明的空气净化滤芯风阻测试。
使用格林新风CA-700型空气净化器，风速测量使用标准风速测量器，测量出风口气体的流速，记录数据并处理数据，得到风阻对比。如图13所示，使用厚度均为5cm的传统海绵碳膜作为对比，其阻比异味消除滤芯的风阻大80%，说明菱形孔隙设计的基于玻璃纤维和纳米氧化铝纤维复合的纳米催化异味消除滤芯风阻远低于传统空气滤膜。
本发明所述基于玻璃纤维和纳米氧化铝纤维骨架，以硅溶胶为中间介质复合分子筛和钛锰氧化物纳米颗粒的滤芯，其应用可包括异味气体吸附，固体颗粒物吸附和挥发性有机污染气体净化等空气净化领域，广泛适用于需要异味吸附的场所和机器部件，包括新风机，空气净化器、汽车空调滤芯等的部件。
本发明使用了以玻璃纤维和氧化铝纤维为骨架，在骨架压制过程掺入5A分子筛，使得分子筛复合在骨架中，高温压制成为具有特殊规律孔隙排布的滤网，然后在硅溶胶的作用下，二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒牢固结合在骨架滤网表面和内部，同时保持均匀分布和极大的空气接触面积。骨架滤网的孔隙纹路表现为边长3mm，小角为60度的菱形，厚度范围为5-10cm；复合了分子筛的玻纤微观结构表现为宽度为8-15μm纤维网络中夹杂着颗粒大小为50μm的5A分子筛，纤维网络的孔隙为低于1-10μm，这样的结构对于固体颗粒物的具有极强的过滤效率，同时分子筛对于挥发性有机气体和异味分子具有极强的吸附作用；使用硅溶胶作为中间介质和粘合剂，将二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒复合在滤网表面和微小的孔隙内部，高温处理之后，硅溶胶水分蒸发形成硅氧键，使得胶体粒子附带纳米颗粒牢固贴合在滤网表面和内部。该种滤芯对于空气中的异味和挥发性有机物等具有极强的吸附效率和催化去除效率，其机制在于:首先，玻璃纤维形成的微观网状结构，具备多间隙多层的特征，能够以极强的效率过滤和吸附空气中的固体颗粒物以及一些大尺度的真菌细菌等；其次，5A分子筛对于挥发性有机物和异味分子具有非常快速和高效的吸附效果，分子筛其中的分子牢笼能够极大的吸附各类气味分子，包括氨气，硫化氢等气味分子，同时也能吸附甲醛，甲苯等挥发性有机污染物气体，硅溶胶作为粘合剂的同时在高温老化之后，形成多孔硅胶结构，进一步增强整个体系的吸附能力和气体吸附载量；再其次，二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒复合在滤网表面和内部，能以极高的速率和效率对各种气味分子和有机挥发物分子进行吸附消除，进而催化氧化，同时能够促进气体吸附体系的吸附能力再生，保持整个体系的吸附能力维持在最佳状态；此外，玻纤网络和特殊的压制孔隙设计极大地增加了催化剂与气体分子的接触面积，进一步提高催化速率和效率。本发明中基于玻璃纤维和纳米氧化铝纤维骨架，以硅溶胶为中间介质复合分子筛和钛锰氧化物纳米颗粒的滤芯可以广泛用于异味消除，空气净化，水体净化等方面，适应于各种工作温度需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，包括玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、5A分子筛颗粒、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒；所述的玻璃纤维-氧化铝纤维骨架、5A分子筛颗粒、二氧化钛纳米颗粒、二氧化锰纳米颗粒的质量分数比为：58～62：8～12：1.9～2.1：1.9～2.1；所述的空气净化滤芯的外形结构呈矩形网格空隙结构；其特征在于，包括如下步骤：
S1、5A分子筛颗粒的制备：使用塔式工业研磨机对5A分子筛进行处理，将分子筛置于烘箱进行烘烤，得到干燥的微米级5A分子筛颗粒；
S2、滤芯骨架的制备：首先将玻璃纤维和氧化铝纤维与5A分子筛颗粒进行混合，在590～610℃下压制成矩形网状结构的滤芯骨架；
S3、二氧化锰纳米颗粒制备：将KMnO4和MnSO4进行加热混合反应；将反应所得溶液离心、去除上层清液、加入去离子水洗涤，然后进行烘干、老化、粉碎，得到固体二氧化锰纳米颗粒；
S4、二氧化钛和二氧化锰硅溶胶制备：将二氧化钛纳米颗粒与二氧化锰纳米颗粒溶于质量体积分数为70%的硅溶胶中，控制最终的二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒浓度为0.2mg/mL，使用电动搅拌器搅拌0.5小时，即得二氧化钛和二氧化锰硅溶胶；
S5、二氧化钛和二氧化锰纳米颗粒与滤芯骨架复合：将步骤S2所得滤芯骨架浸泡在步骤S4中所得二氧化钛和二氧化锰硅溶胶中，浸泡0.8至1.2小时后取出，在88至92℃环境下干燥2.8至3.2小时，反复重复三次；
S6、老化定型：将步骤S5所得产品置于烘箱中进行老化，再将所得滤芯置于风道中，得到最终的空气净化滤芯。
2.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的空气净化滤芯的厚度为5～10cm，空气净化滤芯上的网状体呈边长为3mm、小角为60度的菱形结构。
3.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的二氧化锰纳米颗粒为粒径100～500nm的颗粒；所述的二氧化钛纳米颗粒为粒径5～25nm的固体颗粒；所述的二氧化钛纳米颗粒为锐矿型。
4.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的5A分子筛颗粒为粒径49～51μm的固体颗粒。
5.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中的塔式工业研磨机的功率为3kW，研磨时间为1小时；控制烤箱的温度为120℃，烘烤时间为8小时。
6.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中，KMnO4的浓度分别为0.5mg mL-1，所述MnSO4的浓度为0.2mg mL-1，将KMnO4 和MnSO4溶液按1:1～1:1.2的体积比混合，加热反应时间为40～48小时；将反应所得溶液离心清洗3次，烘干老化的温度控制为115～125℃，烘干老化时间控制为10～12小时。
7.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤S6中，烘箱的温度为200至240℃，老化时间为11至13小时，所述的风道直径为49至51cm、风量为1495至1505m3/h，所述净化滤芯置于风道中的时间为2.8至3.2小时。
8.一种根据权利要求1所述的方法制备的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的应用，其特征在于，应用于快速吸附分解异味气体的净化滤芯。
9.根据权利要求8所述的方法制备的基于玻璃纤维和氧化铝纤维骨架的空气净化滤芯的应用，其特征在于，应用于有机污染物气体和固体颗粒吸附的净化滤芯。
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