CN108525646A - 一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜及其制备方法和应用，该多孔膜包括蚕丝蛋白和负载金、铂、钯、钛、铁、锰或者铈的丝瓜络基片状活性炭材料，制备工艺为：取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为片状，经稀碱预处理后，完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，在溶液中通入氮气形成微小气泡群，浸渍处理，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，烘干固化，高温炭化处理，得到丝瓜络基片状活性炭材料；将丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，经电泳处理形成水凝胶后，取出，真空冷冻干燥，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。本发明制备的蚕丝蛋白多孔膜对甲醛进行吸附、氧化催化和蛋白固定处理，处理效果突出，无二次污染的隐患。

Description

一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜及其制备方法和应用。
背景技术
室内空间是大部分人日常与工作的场所，室内空气的质量与人体健康状态息息相关，室内环境中的气态污染物为甲醛、苯系物和氨气为主要成分，其中甲醛的主要危害表现为对皮肤黏膜的刺激性作用，当甲醛在室内达到0.1mg/m3以上，就会引起眼睛红痒、咽喉不适、胸闷、气喘等问题，而且甲醛还会与空气中的离子性氯化物反应生产致癌物质二氯甲基醚，严重危害人体的健康。
目前，用于消除甲醛的主要手段为通风、吸附、等离子净化和氧化催化，其中通风和吸附的方法较为简单，但净化周期长，且吸附材料需要定期更换，否则吸附材料表面的甲醛有可能吸附饱和后造成二次污染，等离子净化则会产生大量的硝酸钠和一氧化碳气体，存在二次污染的可能。氧化催化技术是一种彻底清除甲醛的技术，分为光催化氧化和热催化氧化，是在光照或者加热环境下，利用催化剂的催化作用，将空气中的甲醛在催化剂表面发生化学反应，氧化为水和二氧化碳，但是光催化剂需要紫外光作为光源，价格高，使用不便，寿命短，且会产生有毒有害的中间产物，因此热催化氧化技术一般在室温下即可反应，使用较为广泛，常用的氧化催化剂有贵金属氧化剂和非贵金属催化剂。
中国专利CN 103721705B公开的一种多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂及其制备方法，将钛醇盐和聚乙烯吡咯烷酮作为原料制备纺丝液，在冰醋酸酸性物质抑制剂和含尿素的造孔剂的作用下，通过静电纺丝和焙烧得到多孔TiO2纳米晶纤维，然后将多孔TiO2纳米晶纤维浸渍与贵金属盐前驱体溶液中，经浸渍-沉积法制备得到多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂。该方法制备的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂是以毛毡状的微米级多孔TiO2纤维为载体，负载零价铂、金、钯或者铑贵金属，具有的分等级的中孔-大孔结构，催化活性高，用量小，可直接用于填充型净化设备中，不易脱落。中国专利CN 103382623B公开的二氧化锰/聚丙烯腈基氧化分解甲醛型纳米纤维膜的静电纺丝制备方法，将高锰酸钾和环己醇通过水热法制备纳米二氧化锰，将纳米二氧化锰与PAN混合，加入N-N二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后得到纺丝液，经静电纺丝制备得到二氧化锰/聚丙烯腈基氧化分解甲醛型纳米纤维膜，该方法制备的纳米纤维膜中纳米二氧化锰的粒径更小活性更高，且纳米二氧化锰制备的纳米纤维膜的催化分解甲醛的效果优于纳米二氧化钛粉末。由上述现有技术可知，通过将贵金属活性物质加入至高分子聚合物中，经纺丝工艺和后处理工艺可制备得到具有催化甲醛功能的纤维态材料，但是贵金属的成本较高，制备低成本、室温高效且持久有效的甲醛催化氧化材料仍需要进一步研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜及其制备方法和应用，将丝瓜络作为活性炭的原料，对丝瓜络进行糠醇和金属盐处理，得到负载金属的高碳活性炭多孔材料，再与蚕丝蛋白溶液混合，经水凝胶和冷冻干燥处理，制备得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。本发明制备的蚕丝蛋白多孔膜可对甲醛进行物理吸附、氧化催化和蛋白固定处理，室温去除甲醛效果突出，且消除二次污染的隐患。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜，其特征在于，所述负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜包括蚕丝蛋白和丝瓜络基片状活性炭材料，所述丝瓜络基片状活性炭材料由金属盐和糠醇改性丝瓜络制备而成，所述蚕丝蛋白呈多孔结构，所述丝瓜络基片状活性炭材料呈多级孔洞结构，所述负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜中金属的含量低于1％，所述金属为金、铂、钯、钛、铁、锰、铈中的一种或者几种构成，所述金属为零价金属颗粒或者金属氧化物颗粒。
本发明还提供一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为片状，经稀碱预处理后，完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，在溶液中通入氮气形成微小气泡群，浸渍处理，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，烘干固化，高温炭化处理，得到丝瓜络基片状活性炭材料；
(2)将步骤(1)制备的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，经电泳处理形成水凝胶后，取出，真空冷冻干燥，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，片状的尺寸为：厚度不高于2mm，面积不大于10mm2。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，稀碱预处理的溶剂为5-10％的氢氧化钠溶液，温度为20-60℃，时间为5-15min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，含金属盐的糠醇溶液中含有8-16wt％草酸，5-15wt％金属盐，余量为糠醇，所述金属盐为金、铂、钯、钛、铁、锰、铈中的一种或者几种的盐构成。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，氮气的流量为10-30L/h，气泡的直径不大于1cm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，烘干固化的温度为80-140℃，时间为1-3h，高温炭化的温度为800-900℃，时间为60-90min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液的质量比为1:5-10。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，电泳处理的电压为25-30V，时间为5-30min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜用于室温室内甲醛处理中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜中包括蚕丝蛋白、金属材料和活性炭，其中活性炭和蚕丝蛋白都构成多级孔洞结构，可以对甲醛起到物理吸附，由于活性炭孔洞结构中含有含氮官能团，增加了活性炭多孔材料的吸附位点，提高了对甲醛的吸附量，且蚕丝蛋白大分子中的活性基团可以与甲醛发生反应，对甲醛起到固定的作用，防止甲醛的外泄，且金属材料为金、铂、钯、钛、铁、锰、铈中一种或者几种的零价金属颗粒或者金属氧化物颗粒组成，因此金属材料可为贵金属材料、非贵金属材料或者两者的混合，利用金属材料的较高的催化活性，低温氧化分解甲醛。
(2)本发明制备的负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜中选用丝瓜络为多孔活性炭的材料，丝瓜络为葫芦科植物丝瓜或粤丝瓜的成熟果实的维管束，丝瓜络中的纤维中包括纤维素、半纤维素和木质素，具有多层丝状纤维纵横交织构成的三维多孔木质网络系统，丝瓜络周围的纤维具有质量轻、强度高、无毒无害、资源丰富以及成本低等优点，具有较强的吸附能力和增强性能，且丝瓜络经糠醛处理后，活性炭的残碳量更高，体密度更高，活性点更多，且丝瓜络经稀碱预处理，有效去除包覆在丝瓜络纤维表面的胶质、蜡质等疏水性组分，且不破坏丝瓜络结构完整性，有利于炭化后多孔碳材料的孔洞的完整性和连通性，保证活性炭的对甲醛的吸附效果。
(3)本发明制备的负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜具有多级孔洞结构，对甲醛存在物理吸附、氧化催化和蛋白固定三种作用，从物理结构和原料组成方面综合考虑，使制备的负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜不仅吸附量大，低温氧化催化效果号，蛋白固定量大，而且降低了二次污染的隐患，性能优异，可用于空气净化器材、纺织口罩材料、防护衣物等应用。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为厚度不高于2mm，面积不大于10mm2片状材料，在20℃下，在5％的氢氧化钠溶液中预处理5min，然后完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，其中，含金属盐的糠醇溶液中含有8wt％草酸，5wt％金和锰金属盐，余量为糠醇，在溶液中通入10L/h的氮气形成直径不大于1cm微小气泡群，浸渍处理30min，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，在80℃下烘干固化1h后，置于800℃下高温炭化处理60min，得到丝瓜络基片状活性炭材料。
(2)将质量比为1:5的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，在25V直流电压下，电泳处理5min形成水凝胶，取出，真空冷冻干燥1d，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
实施例2：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为厚度不高于2mm，面积不大于10mm2片状材料，在60℃下，在10％的氢氧化钠溶液中预处理15min，然后完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，其中，含金属盐的糠醇溶液中含有16wt％草酸，15wt％铂和铈金属盐，余量为糠醇，在溶液中通入30L/h的氮气形成直径不大于1cm微小气泡群，浸渍处理60min，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，在140℃下烘干固化3h后，置于900℃下高温炭化处理90min，得到丝瓜络基片状活性炭材料。
(2)将质量比为1:10的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，在30V直流电压下，电泳处理30min形成水凝胶，取出，真空冷冻干燥2d，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
实施例3：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为厚度不高于2mm，面积不大于10mm2片状材料，在45℃下，在6％的氢氧化钠溶液中预处理10min，然后完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，其中，含金属盐的糠醇溶液中含有12wt％草酸，10wt％钯和钛金属盐，余量为糠醇，在溶液中通入20L/h的氮气形成直径不大于1cm微小气泡群，浸渍处理45min，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，在100℃下烘干固化2h后，置于850℃下高温炭化处理75min，得到丝瓜络基片状活性炭材料。
(2)将质量比为1:6的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，在28V直流电压下，电泳处理15min形成水凝胶，取出，真空冷冻干燥1.5d，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
实施例4：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为厚度不高于2mm，面积不大于10mm2片状材料，在45℃下，在6％的氢氧化钠溶液中预处理10min，然后完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，其中，含金属盐的糠醇溶液中含有12wt％草酸，12wt％金和铁金属盐，余量为糠醇，在溶液中通入25L/h的氮气形成直径不大于1cm微小气泡群，浸渍处理35min，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，在120℃下烘干固化1.5h后，置于880℃下高温炭化处理75min，得到丝瓜络基片状活性炭材料。
(2)将质量比为1:8的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，在29V直流电压下，电泳处理25min形成水凝胶，取出，真空冷冻干燥1d，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
实施例5：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为厚度不高于2mm，面积不大于10mm2片状材料，在50℃下，在7％的氢氧化钠溶液中预处理10min，然后完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，其中，含金属盐的糠醇溶液中含有10wt％草酸，10wt％金的金属盐，余量为糠醇，在溶液中通入15L/h的氮气形成直径不大于1cm微小气泡群，浸渍处理45min，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，在100℃下烘干固化2.5h后，置于850℃下高温炭化处理80min，得到丝瓜络基片状活性炭材料。
(2)将质量比为1:8的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，在25V直流电压下，电泳处理10min形成水凝胶，取出，真空冷冻干燥2d，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
实施例6：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为厚度不高于2mm，面积不大于10mm2片状材料，在20℃下，在10％的氢氧化钠溶液中预处理5min，然后完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，其中，含金属盐的糠醇溶液中含有16wt％草酸，5wt％钯和铈金属盐，余量为糠醇，在溶液中通入30L/h的氮气形成直径不大于1cm微小气泡群，浸渍处理30min，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，在140℃下烘干固化1h后，置于900℃下高温炭化处理60min，得到丝瓜络基片状活性炭材料。
(2)将质量比为1:10的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，在25V直流电压下，电泳处理30min形成水凝胶，取出，真空冷冻干燥1d，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
经检测，实施例1-6制备的负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜用于甲醛含量为50ppm和50ppb的室内环境中，处理1、5和30天的甲醛去除率的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜对低浓度和高浓度的甲醛都具有很好的去除效果，且作用长效，不会有二次污染。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜，其特征在于：所述负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜包括蚕丝蛋白和丝瓜络基片状活性炭材料，所述丝瓜络基片状活性炭材料由金属盐和糠醇改性丝瓜络制备而成，所述蚕丝蛋白呈多孔结构，所述丝瓜络基片状活性炭材料呈多级孔洞结构，所述负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜中金属的含量低于1％，所述金属为金、铂、钯、钛、铁、锰、铈中的一种或者几种构成，所述金属为零价金属颗粒或者金属氧化物颗粒。
2.一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取丝瓜络的周边纤维为原料，将原料处理为片状，经稀碱预处理后，完全浸没于含金属盐的糠醇溶液中，在溶液中通入氮气形成微小气泡群，浸渍处理，取出，挤压去除多余的糠醇溶液，烘干固化，高温炭化处理，得到丝瓜络基片状活性炭材料；
(2)将步骤(1)制备的丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液混合，经电泳处理形成水凝胶后，取出，真空冷冻干燥，得到负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜。
3.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，片状的尺寸为：厚度不高于2mm，面积不大于10mm2。
4.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，稀碱预处理的溶剂为5-10％的氢氧化钠溶液，温度为20-60℃，时间为5-15min。
5.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，含金属盐的糠醇溶液中含有8-16wt％草酸，5-15wt％金属盐，余量为糠醇，所述金属盐为金、铂、钯、钛、铁、锰、铈中的一种或者几种的盐构成。
6.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，氮气的流量为10-30L/h，气泡的直径不大于1cm。
7.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，烘干固化的温度为80-140℃，时间为1-3h，高温炭化的温度为800-900℃，时间为60-90min。
8.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，丝瓜络基片状活性炭材料与蚕丝蛋白溶液的质量比为1:5-10。
9.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，电泳处理的电压为25-30V，时间为5-30min。
10.根据权利要求2所述的一种负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，负载金属的活性炭改性蚕丝蛋白多孔膜用于室温室内甲醛处理中。
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CN110416479A (zh) * 2019-07-31 2019-11-05 东华大学 一种具有取向的多通道碳化木隔层及其制备和应用
CN114162912A (zh) * 2021-11-04 2022-03-11 泉州南京大学环保产业研究院 一种负载高{001}晶面二氧化钛粒子电极的制备方法

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