CN107805319B - 一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法及其产品 - Google Patents

一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法及其产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法，包括以下步骤：将线性聚合物溶解在酸性水溶液中，得到线性聚合物水溶液；将片状聚合物分散在水中，得到片状聚合物水溶液；将线性聚合物水溶液与片状聚合物水溶液相混合，充分分散；冻结混合溶液，利用冷冻干燥除去水分，得到海绵状半成品；在160‑200℃温度下对海绵状半成品进行热处理，得到超轻海绵。本发明还公开了按照该方法制备的一种海绵。本发明的方法简便，原料都是半天然大分子，来源广泛，成本低。制备的产品携带有氨基，可对酸性气体进行吸附。可以对空气中的固体和气体污染物同时进行过滤清除。

Description

一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法及其 产品
技术领域
本发明属多孔材料技术领域，具体涉及一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法及其产品。
背景技术
随着我国经济的快速发展，人民的生活水平日益提升，群众对环境的关注也越来越多，以空气质量为代表，环境问题成为大家经常讨论的问题。特别是近几年来，时不时出现空气质量指数爆表的新闻报道，让许多人开始思考我们的空气到底出现了什么问题，如何解决这些问题。
从宏观角度讲空气问题是经济高速发展过程中，对伴生的污染物应对不及时，缺乏预防和治理经验导致的环境问题。这个问题在上世纪的一些发达国家也出现过，如美国洛杉矶的光化学污染问题、英国伦敦的毒雾等。各个国家或地区因为污染发生的原因和时间不同，各自的污染呈现出不同的特征，这些问题最后都是依靠政府制定法律法规引导产业向良性方向发展而得到解决。我国的许多城市在发展经济的同时，已经谨慎的做了许多预防工作，比如城区停止使用煤炭类高污染燃料，大力推广清洁能源等措施，使得国外的典型污染事件没有重现。但是，在社会快速发展的背景下，一些难以预料的污染新情况不断涌现，使得各地出现空气质量恶化的迹象并形成了不同其他国家的污染类型，以西安为例，许多城市的空气污染物包括PM10固型污染物和NO2、SO2等酸性气体污染物。而空气污染又必然危害到当地居民的身体健康。为此，各级政府不断从宏观上制定法律法规。这些都是宏观上的调控，显现出成效需要一定的时间。
针对已经形成的污染，如何消除或控制，这是减少伤害的当务之急，特别是深处空气污染环境之中的普通市民，在无法短期内改变整体污染状况的前提下，需要能在小范围内快速制造清洁空气环境的措施，这些措施如果足够大规模使用，也能在较大范围内快速制造清洁空气环境。为此出现了如雾炮车这类特殊工具并受到欢迎，这种措施是利用水雾抑制扬尘的原理，其最佳时段是施工前进行水雾覆盖，对已经产生的复杂雾霾中的较大固型颗粒污染物也有较好效果，但是对较小颗粒以及气态污染物，效果欠佳。特别是对大量水的使用，决定了此类方法需要经常进行水补充，加上使用过程中会对周边交通造成一定影响，因此雾炮车是一种粗放的空气净化方式。2014年，荷兰设计师丹·罗斯加德在北京切身感受到雾霾带来的影响后，带着自己的设计团队，造出了世界上首座户外净化器——“雾霾净化塔”，该产品利用电离技术吸入雾霾，滤掉其中的有害颗粒，然后排出净化后的空气。这种方式加强了对颗粒污染物的清除力度，但是污染物中的气体组分完全没有效果，是一种偏向设计美感的治理工具。但这种空气过滤的方式在一些室内净化器中都有应用。采用了同样工作原理，室内空气净化器，多采用活性炭加触媒的方式工作，但是由于送风量受到活性炭堆积密度影响，以及触媒价格等问题，室内空气净化器，只能在密闭空间使用，是一种极小范围空气清洁工具。
鉴于我国的空气污染物同时包括固体悬浮物和酸性气体，前文所述的空气净化系统无法兼顾这两类污染物，因此本课题采用吸附过滤兼顾化学反应的方式清除空气污染物。吸附过滤主要依靠高孔隙度低孔径海绵结构来实现。由于固体污染物是细小颗粒，则要求吸附材料具有小空隙特征，在不能保证孔隙度的情况下，就会产生气体无法畅通通过的情况。气体组分的消除则需要相应的化学反应辅助，但又不能产生新的化学污染，因此天然高分子是首选，鉴于气体污染物多是酸性气体，那么化学反应则是依靠氨基等碱性基团来实现。为了将两种功能集成在同一个系统中，本发明利用天然高分子和片状大分子制备超低密度海绵状材料，使海绵材料具有更高的空隙度、更低的孔径和超大比表面积。在确保材料具有良好的吸附过滤效果同时降低制造成本，使得该材料可以在各种规模下进行使用。
发明内容
为了克服现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法及其产品。本发明在使用环境下有气流通过时，可有效降低空气中固体和气体污染物。
为实现以上目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法，由以下步骤实现：
步骤一：将线性聚合物溶解在酸性水溶液中，将片状聚合物分散在水中。
步骤二：利用搅拌和超声波将两种溶液混合均匀。
步骤三：利用冷冻干燥的办法将冰块中的水分除去，制成海绵形状。
步骤四：在160-200℃温度下对海绵进行热处理。
所涉及到的线性聚合物与片状聚合物质量比为，线性聚合物：片状聚合物=2:1~5:1，其中线性聚合物为羧甲基纤维素和壳聚糖。片状聚合物是指黄腐酸。
以及，一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵，其主要原料包括线性聚合物和水分散性片状聚合物两部分，其质量比2:1-5:1。其中线性聚合物是指经过羧甲基化改造的纤维素（羧甲基纤维素）和脱乙酰化的甲壳素（壳聚糖）。其中的片状聚合物是指具有水分散能力的黄腐酸。
将线性聚合物和片状聚合物分别溶解分散于水中。线性聚合物溶液浓度控制在0.1-2%，pH值控制在4-5。片状聚合物的浓度为0.1-1%。混合两种溶液，通过搅拌和超声波各30min，确保两种材料混合均匀。
-30℃以下低温冷冻，使水分散体系凝结为冰块。
1-10Pa压力条件下真空干燥12-36h，形成海绵。
160-200℃加热处理海绵10min，提升海绵的强度和耐水性。
本发明的原理是利用溶解过程，将羧甲基纤维素在水中解离成细小纤维。利用结冰使细小纤维束的位置固定。通过真空干燥，即在低压下使冰块中的水分逐步升华气化，而线性大分子以细小纤维的形态保留，并维持着水溶液中相互穿插的随机分布状态。即海绵的整体性状出现。但是纯粹的线性聚合物力学强度不理想。需要在细小纤维束间增加支撑点。因此在水分散体系中加入力学强度较好的片状材料黄腐酸。海绵形成后，在160-200℃的较高温度下，会在纤维束、片层材料之间发生酯化反应和脱水反应。降低亲水的羟基密度，并在纤维和片层材料间形成共价键提高海绵的力学性能。
与现有的技术相比，本发明的优点是：
海绵具有密度低，孔隙度高，孔径小的特点。其中纤维直径大约在1μm，孔径大小在1μm-20μm都有分布。其中携带有氨基，可对酸性气体进行吸附。隐藏可以对空气中的固体和气体污染物同时进行过滤清除。制备原料都是半天然大分子，来源广泛，成本低。
附图说明
图1为实施例1制备的超轻海绵置于草叶上的适用效果照片；
图2为实施例1制备的超轻海绵的SEM照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做详细地说明，但是本发明不局限于以下实施例。
实施例1
1）取在pH值为4的盐酸溶液100g，搅拌状态下加入羧甲基纤维素0.5g，壳聚糖0.5g搅拌4h至充分溶解，得线性聚合物溶液。
2）取黄腐酸0.2g，溶解于100g水中，搅拌2h成片状聚合物溶液。
3）取线性聚合物溶液10g，取片状聚合物溶液10，混合搅拌2h，超声波处理15min。得混合溶液。
4）将混合溶液置于-30℃低温环境中冷冻5h，直至完全冻结成冰块。
5）将所得冰块至于5Pa低压环境中24h，升华使水分挥发，彻底干燥后的海绵形状。
6）将海绵置于180℃环境中加热10min，所得产物为高孔隙度海绵。
图1为本实施例制备的海绵样品的外观照片，照片显示，本发明制备的海绵密度极轻，将海绵置于草叶上，草叶几乎不被压弯。图2为本实施例制备的海绵样品大SEM照片，照片显示，线性大分子以细小纤维的形态保留，并维持着水溶液中相互穿插的随机分布状态，形成海绵的整体结构。片层材料在细小纤维束间形成了支撑点，提高海绵的力学性能。
通过对海绵外观体积的测量和质量的称量，可计算出海绵密度，结果显示，密度为0.006g/cm3。
用制得的海绵进行固体悬浮物拦截实验和酸性气体吸附实验，固体悬浮物拦截测试中让非气体污染的空气通过过滤装置，以滤膜方法截留固体颗粒数量作为参考总量，用海绵滤芯截留数量与滤膜截留数量进行对比，计算海绵对固体悬浮物的拦截能力。在污染气体吸附能力测试中，让海绵滞留在人工制造的酸性气体环境中，通过对比吸附前后海绵质量计算对酸性气体的吸收能力。测试结果显示，当空气通过海绵时，对空气中直径10μm以上的固体悬浮物拦截率达50%，可吸收自身质量5%的NO2气体。
实施例2
1）取在pH值为5的醋酸溶液100g，搅拌状态下加入羧甲基纤维素1.5 g，壳聚糖0.5g搅拌4h至充分溶解，得线性聚合物溶液。
2）取黄腐酸1g，溶解于100g水中，搅拌2h成片状聚合物溶液。
3）取线性聚合物溶液10g，取片状聚合物溶液10，混合搅拌2h，超声波处理15min。得混合溶液。
4）将混合溶液置于-30℃低温环境中冷冻5h，直至完全冻结成冰块。
5）将所得冰块至于10Pa低压环境中36h，升华使水分挥发，彻底干燥后的海绵形状。
6）将海绵置于200℃环境中加热10min，所得产物为高孔隙度海绵。
按实施例1的方法测试本实施例制备的海绵密度，结果显示，所得产物密度为0.015g/cm3。
按实施例1的方法测试海绵对固体悬浮物的拦截率，测试结果显示，当空气通过海绵时，对空气中直径10μm以上的固体悬浮物拦截率达60%，可吸收自身质量4%的SO2气体。
实施例3
1）取在pH值为5的盐酸溶液100g，搅拌状态下加入羧甲基纤维素0.2g，壳聚糖0.1g搅拌4h至充分溶解，得线性聚合物溶液。
2）取黄腐酸0.1g，溶解于100g水中，搅拌2h成片状聚合物溶液。
3）取线性聚合物溶液10g，取片状聚合物溶液10，混合搅拌2h，超声波处理15min。得混合溶液。
4）将混合溶液置于-30℃低温环境中冷冻5h，直至完全冻结成冰块。
5）将所得冰块至于10Pa低压环境中12h，升华使水分挥发，彻底干燥后的海绵形状。
6）将海绵置于160℃环境中加热10min，所得产物为高孔隙度海绵。
按实施例1的方法测试本实施例制备的海绵密度，结果显示，所得产物密度为0.002g/cm3。
按实施例1的方法测试海绵对固体悬浮物的拦截率，测试结果显示，当空气通过海绵时，对空气中直径10μm以上的固体悬浮物拦截率达40%，可吸收自身质量5%的SO2气体。

Claims (8)

1.一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将羧甲基纤维素与壳聚糖溶解在酸性水溶液中，得到线性聚合物水溶液；将黄腐酸分散在水中，得到片状聚合物水溶液；
步骤二：将线性聚合物水溶液与片状聚合物水溶液相混合，充分分散；
步骤三：冻结混合溶液，利用冷冻干燥除去水分，得到海绵状半成品；
步骤四：在160-200℃温度下对海绵状半成品进行热处理，得到超轻海绵。
2.根据权利要求1所述的一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：混合线性聚合物水溶液与片状聚合物水溶液，搅拌、超声分散各30min，确保两种材料混合均匀。
3.根据权利要求1所述的一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：将混合溶液置于-30℃以下低温冷冻，使水分散体系凝结为固体；然后将冻结的固体置于1-10Pa条件下真空干燥12-36h，得到海绵。
4.根据权利要求1所述的一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：160-200℃条件下热处理海绵10min。
5.一种按照权利要求1~4任一项所述方法制备的用于空气降霾的超轻多功能复合海绵。
6.根据权利要求5所述的一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵，其特征在于，所述用于空气降霾的超轻多功能复合海绵由包含线性聚合物：片状聚合物的质量比为2:1~5:1的混合物制得。
7.根据权利要求5所述的一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵，其特征在于，所述线性聚合物水溶液的质量浓度为0.1-2%，pH值为4-5。
8.根据权利要求5所述的一种用于空气降霾的超轻多功能复合海绵，其特征在于，所述片状聚合物水溶液的质量浓度为0.1-1%。
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