CN108046317B - 可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法及纳米材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法及纳米材料，本发明的方法包括以下步骤：步骤S1、在100重量份的吸波剂中加入0.1‑5重量份的激发剂和0.1‑3重量份的纳米材料并混合均匀；步骤S2、将上述混合的试剂放入微波炉进行微波加热处理，得到预处理纳米材料。本发明结合粉体吸波材料的靶向微波加热作用，对存放过的纳米材料在使用前预先进行微波活化处理，提高纳米材料表面活性的同时靶向定位微波，大大提高纳米材料的活性和反应效率。经过预处理的纳米材料可以运用在污泥回收处理上，通过本发明的方法提高了纳米材料的和反应效率，减少了昂贵的纳米材料的使用量，降低使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料微波预处理领域，具体涉及一种可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法及纳米材料。
背景技术
微波是一种电磁波,电磁波包括电场和磁场,电场使带电粒子开始运动而具有一种力,由于带电粒子的运动从而使极化粒子进一步极化,微波的电和磁部分的相关的力方向快速变化,从而产生摩擦使其自身温度升高。
微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热，它完全区别于其他的常规加热方式。传统加热方式是根据热传导、对流和辐射原理使热量从外部传至物料，热量总是由表及里传递进行加热物料，物料中不可避免地存在温度梯度，故加热的物料不均匀，致使物料出现局部过热。微波加热是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不须任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式的能耗的几分之一或几十份之一就可达到加热目的。
从理论分析，物质在微波场中所产生的热量大小与物质种类及其介电特性有很大关系，即微波对物质具有选择性加热的特性。许多有机反应物不能直接明显地吸收微波加热，但当它们与受激发的表面点位接触时可发生反应，从而使整个体系的温度迅速上升。许多磁性物质如过滤金属及其化合物、活性碳等对微波有很强的吸收能力，由于其表面的不均匀性，微波辐射时其表面会产生许多“热点”，这些“热点”的能量比其他部位高得多，可实现诱导化学反应的靶向加热技术。
采用微波辐射加热可以对氧化钛、氧化锌等光催化剂进行改性，因为氧化钛、氧化锌等属于低损耗物质，在室温和低温时几乎不吸收微波，通过一定的吸波剂处理可使它们吸收微波发热来达到一定温度后，进而吸收微波而升温。纳米光催化剂表面受激活化后可起到氧化分解有机物、还原重金属离子、除臭、杀菌等作用。纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料由于粒子尺寸进入了纳米量级,因而具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，进而展现出许多特有的性质,尤其是化学活性。在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。但是纳米材料中的基本单元——纳米颗粒由于粒度小,表面原子比例大,比表面积大,表面能大,处于能量不稳定状态，因而很容易凝并、团聚,形成二次粒子,使粒子粒径变大,失去纳米颗粒所具备的特性，这给纳米材料在制备、储运、使用等诸多方面带来不便。
纳米粒子极其容易团聚，为了有效使用纳米粉体，纳米粉体表面改性成为纳米粉体研究的重要内容。表面改性是根据需要对粉体的表面特性进行物理、化学、机械等深加工处理,控制其内应力,增加粉体颗粒间的斥力,降低粉体颗粒间的引力，粉体的表面物理、化学性质,诸如晶体结构、官能团表面能、表面润湿性、电性、表面吸附和反应特性等发生变化,从而赋予纳米粉体新的功能,并使物性得到改善。纳米粉体表面改性的方法很多,分类的方法也很多,其方法主要有：包覆改性法、表面化学改性法、机械化学改性法、沉积化学改性法以及新发展的微胶囊改性法等，采用的物质大部分均为有机化合物。
例如在制备纳米TiO2时，引入羟丙基纤维素改性剂，改性剂大分子吸附在TiO2颗粒上起到了空间位阻作用，有效的阻止了颗粒进一步聚集长大，改善了TiO2水合粒子的分散性和均匀性；在制备纳米磁粉时，由表面活性剂、油相、水相及助剂等在适当比例下形成油包水或水包油型微乳液，化学反应被限制在微乳液的水核内部，有效避免颗粒间发生团聚现象；在制备碳纳米材料时，采用里有机螯合剂等对碳纳米材料表面改性。
表面改性防止了纳米材料的团聚，但是也部分影响了纳米材料的活性，使用时需要采用一定的方法提高纳米材料的活性，促使纳米材料呈现出刚制备时的具有极大表面自由能的状态，成为现阶段研究的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法及纳米材料。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，包括以下步骤：
步骤S1、在100重量份的吸波剂中加入0.1-5重量份的激发剂和0.1-3重量份的纳米材料并混合均匀，得到混合材料；
步骤S2、将混合材料放入微波炉进行微波加热处理，得到预处理纳米材料。
本发明的有益效果是：发明将纳米光催化剂、纳米磁性粉末、吸波剂再加上激发剂等物质按照一定比例配制好，放到微波炉里面经过短时活化，在投放到需处理物体中进行微波一体化处理，能进一步提高靶向材料的使用效果，大大提高纳米材料的反应效率以及降低纳米材料使用量。本发明的预处理纳米材料可以运用在污泥回收处理上，经过本发明的方法得到预处理纳米材料后，需要将预处理纳米材料迅速和污泥均匀混合，有效避免了纳米材料活性再次降低。实验表明，在污泥有机质含量由42.19％降低为18.23％的条件下，经过预处理的纳米材料用量是未经过处理的60-70％，通过本发明的方法提高了纳米材料的活性，减少了价格昂贵的纳米材料的使用量。
进一步的，所述步骤S1的纳米材料为纳米二氧化钛、纳米二氧化锌、纳米磁粉、碳纳米材料中任意一种或多种的混合物。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明将具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应的纳米材料进行微波预处理工艺，将添加光催化剂纳米二氧化钛、纳米氧化锌或其混合物后，再进行微波处理，明显加快了处理速率，能大幅度的增强微波处理的效果。
进一步的，所述纳米材料为0.8重量份的纳米二氧化钛、0.1重量份的纳米氧化锌和0.1重量份的纳米磁粉的混合物。
进一步的，所述步骤S1中的吸波剂是碳渣、煤矸石粉、铸造粘土砂污泥、污泥生物炭中任意一种或多种的混合物。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明利用微波选择性加热的特点，使微波能量集中，提高了微波的使用效率，促使整个混合物体系的温度升高更加快速，温度升高幅度更大，添加吸波剂的混合物体系温度远高于没有添加吸波剂的混合物体系温度，有利于纳米材料表面附着有机质分解或气化，甚至燃烧。
进一步的，所述吸波剂为污泥生物炭粉末。
进一步的，所述步骤S1中的激发剂是氯化镁、硫酸钠、氢氧化钙中任意一种或多种的混合物。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明使用了低成本的激发剂，即能促进有机质溶解也能提高微波的加热效率。
进一步的，所述激发剂为0.1重量份的硫酸钠和0.1重量份的氯化镁的混合物。
进一步的，所述步骤S2中，微波加热处理时间范围为5S-50S，微波炉功率900W-6000W。
采用上述进一步方案的有益效果是：可以根据待处理的污泥总量多少确定微波的功率大小和微波时间。
进一步的，微波加热处理时间范围为50S，微波炉功率6000W。
一种预处理纳米材料，由100重量份的吸波剂、0.1-5重量份的激发剂和0.1-3重量份的纳米材料均匀混合后，经过微波加热处理后得到。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
微波能量是一种新型的绿色能源，在交变的微波电场作用下，具有极性的物质分子随电磁场的变化而发生变化，微波辐射高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部维管束和腺胞系统。微波加热的特点如下：
a.穿透性加热，加热速度快。其穿透的距离，在理论上与电磁波波长同数量级。微波加热是使被加热物体本身成为发热物体，称之为整体加热方式，不需要热传导的过程，因此能实现短时间内加热。微波加热时物体各部位不论形状如何，通常都能均匀渗透电磁波，以产生热量，介质材料加热的无效性大大改善。
b.加热均匀。微波加热时，物体各部位不论形状如何，通常都能均匀渗透微波产生热量。因此均匀性大大改善。可避免外焦内生、外干内湿现象。
c.选择性加热。微波对不同性质的物料有不同的作用，因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较底的部位；物料中水比干物质吸收微波的能力强，故水受热高于干物质，这有利于水分温度上升，促使水分蒸发，也有利于干物质发生过热现象，这对减小营养和风味的破坏极为有利。选择性加热的特点有：自动平衡吸收微波，避免物料加热干燥时发生焦化。
d.节能高效。微波对不同物质有不同的作用，微波加热时，被加热物一般都是放在金属制造的加热室内，加热室对微波来说是一个封闭的空腔，微波不能外泄；外部散热损失少，只能被加热物体吸收，加热室的空气与相应的容器都不会发热，没有额外的热能损耗，所以热效率极高；同时，工作场所的环境也不会因此升高，环境条件明显改善。所以节能、省电，一般可节省30％—50％。
e.易于控制。实现自动化生产微波加热干燥设备只要操作控制控制旋纽即可瞬间达到升降开停的目的。因为在加热时，只有物体本身升温，炉体、炉膛内空气均无余热，因此热惯性极小，没有热量损失，应用微机控制可对产品质量自动监测，特别适宜于加热过程中和加热工艺规范的自动化控制。
f.改善劳动条件，节省占地面积。微波加热设备无余热、无样品污染问题，容易满足食品卫生要求，本身又不发热、不辐射热量，所以大大改善了劳动条件，而且设备结构紧凑，节省厂房面积。
一种可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，包括以下步骤：
步骤S1、在100重量份的吸波剂中加入0.1-5重量份的激发剂和0.1-3重量份的纳米材料并混合均匀，得到混合材料；
步骤S2、将混合材料放入微波炉进行微波加热处理，得到预处理纳米材料。
所述步骤S1的纳米材料为纳米二氧化钛、纳米二氧化锌、纳米磁粉、碳纳米材料中任意一种或多种的混合物。最优的，所述纳米材料为0.8重量份的纳米二氧化钛、0.1重量份的纳米氧化锌和0.1重量份的纳米磁粉的混合物。
所述步骤S1中的吸波剂是碳渣、煤矸石粉、铸造粘土砂污泥和纳米磁粉污泥生物炭中任意一种或多种的混合物。最优的，所述吸波剂为污泥生物炭粉末。
所述步骤S1中的激发剂是氯化镁、硫酸钠和纳米磁粉氢氧化钙中任意一种或多种的混合物。最优的，所述激发剂为0.1重量份的硫酸钠和0.1重量份的氯化镁的混合物。
所述步骤S2中，微波加热处理时间范围为5S-50S，微波炉功率900W-6000W。最优的，微波加热处理时间范围为50S，微波炉功率6000W。
一种预处理纳米材料，由100重量份的吸波剂、0.1-5重量份的激发剂和0.1-3重量份的纳米材料均匀混合后，经过微波加热处理后得到。
通过实验发现，采用最优方案，即纳米材料为0.8重量份的纳米二氧化钛、0.1重量份的纳米氧化锌和0.1重量份的纳米磁粉的混合物，吸波剂采用100重量份的污泥生物炭粉末，激发剂为0.1重量份的硫酸钠和0.1重量份的氯化镁的混合物，微波加热处理时间范围为50S，微波炉功率6000W时，得到的预处理纳米材料活性最强。
本发明将纳米光催化剂、纳米磁性粉末、吸波剂再加上激发剂等物质按照一定比例配制好，放到微波炉里面经过短时活化，在投放到需处理物体中进行微波一体化处理，能进一步提高靶向材料的使用效果，大大提高纳米材料的反应效率以及降低纳米材料使用量。
本发明的经过预处理的纳米材料可以运用在污泥回收处理上，经过本发明的方法得到预处理纳米材料后，需要将预处理纳米材料迅速和污泥均匀混合，针对纳米材料容易与污泥结合而趋于稳定的特性，减少纳米材料单独存放的时间，防止纳米材料因再次存放而活性降低。
实验表明，在污泥有机质含量由42.19％降低为18.23％的条件下，经过预处理的纳米材料用量是未经过处理的60-70％，通过本发明的方法提高了纳米材料的活性，减少了价格昂贵的纳米材料的使用量，降低了使用成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)
1.可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在100重量份的吸波剂中加入0.1-5重量份的激发剂和0.1-3重量份的纳米材料并混合均匀，得到混合材料；所述步骤S1的纳米材料为纳米二氧化钛、纳米二氧化锌、纳米磁粉、碳纳米材料中任意一种或多种的混合物；所述步骤S1中的吸波剂是碳渣、煤矸石粉、铸造粘土砂污泥和污泥生物炭中任意一种或多种的混合物；所述步骤S1中的激发剂是氯化镁、硫酸钠和氢氧化钙中任意一种或多种的混合物；
步骤S2、将混合材料放入微波炉进行微波加热处理，得到预处理纳米材料；所述步骤S2中，微波加热处理时间范围为5S-50S，微波炉功率900W-6000W。
2.根据权利要求1所述的可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，其特征在于，所述纳米材料为0.8重量份的纳米二氧化钛、0.1重量份的纳米氧化锌和0.1重量份的纳米磁粉的混合物。
3.根据权利要求1所述的可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，其特征在于，所述吸波剂为污泥生物炭粉末。
4.根据权利要求1所述的可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，其特征在于，所述激发剂为0.1重量份的硫酸钠和0.1重量份的氯化镁的混合物。
5.根据权利要求1所述的可提高纳米材料活性的靶向微波预处理方法，其特征在于，微波加热处理时间范围为50S，微波炉功率6000W。
6.一种如权利要求1-5中任一项方法得到的预处理纳米材料，其特征在于，由100重量份的吸波剂、0.1-5重量份的激发剂和0.1-3重量份的纳米材料均匀混合后，经过微波加热处理后得到。
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