CN108607356A - 一种多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法。该复合材料由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛6～8份、自洁净蜂窝活性炭10～20份、纳米活性氧化锌4～8份、金属有机骨架吸附材料5～7份、蒙脱土15～25份、非离子表面活性剂6～10份、去离子水30～50份。本申请还公开了一种多功能环保空气净化复合材料的制备方法，采用快速搅拌和动态煅烧工艺，制备方法简单，生产周期短，生产成本低。本申请提供的一种多功能环保空气净化复合新材料通过物理吸附和化学分解的双重作用，能迅速的消除空气中的有害气体和雾霾颗粒，为治理大气污染提供了最绿色的解决方案。

Description

一种多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法
技术领域
本申请属于空气净化技术领域，具体地说，涉及一种多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法。
背景技术
随着经济快速发展，我国工业化、城镇化进程加快，大气污染成为难以避免的严重问题。近年来，我国空气质量改善缓慢，大气污染物的排放总量长年居高。目前的大气污染程度仍然与理想的空气环境有一定距离，尤其是PM2.5、PM10等颗粒物浓度超标严重。因此，目前国内各地出现了不同程度的空气污染、雾霾天气，国内大量制药厂、染料厂、农药厂、塑料厂、化工厂、钢厂、水泥厂等产生的有害废气严重污染了我们周围的空气质量。
雾霾通过呼吸道进入肺中，不仅对人体造成危害，同时雾霾颗粒附着在肺上，还容易诱发肺部疾病。室内装修家居里面的的甲醛、苯、甲苯、TVOC等会慢慢挥发出来，逐渐积累，危害室内人的健康，近年来，室内甲醛超标而导致疾病甚至威胁生命安全的案例数不胜数，甲醛超标能引起肺癌、白血病、不孕、胎儿畸形、皮肤癌、鼻癌、咽喉癌、胸闷、免疫力降低、肝中毒性病变等。因PM2.5、甲醛、苯系物、氡、氨等室内空气污染而引发的病症近年来屡见不鲜，而且室内空气污染引起的全球性的人口发病率和死亡率还在不断攀升。
目前市场上的空气净化剂多是活性炭、植物提取液和有机化工原料为主要成分，对空气净化有一定的效果，但是多存在吸附净化时间较长，对空气中的有害气体和颗粒物消除不够彻底，在治理大气污染时还没有提供最经济、最绿色的解决办法。
如何制备具有良好分散性、高催化活性、吸附净化时间短、多功能环保空气净化复合新材料，成为本领域技术人员亟待开发和研究的课题。
发明内容
有鉴于此，本申请所要解决的问题是提供一种多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法，该复合新材料通过物理吸附和化学分解的双重作用，能迅速的消除空气中的有害气体如甲醛和雾霾颗粒，能够迅速改善空气质量，为治理大气污染提供了最绿色的解决方案。
为了解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案得以实现：
本申请一方面提供了一种多功能环保空气净化复合新材料，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛6～8份、自洁净蜂窝活性炭10～20份、纳米活性氧化锌4～8份、金属有机骨架吸附材料5～7份、蒙脱土15～25份、非离子表面活性剂6～10份、去离子水30～50份。
结合第一方面，在一种可能的实施例中，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛7份、自洁净蜂窝活性炭15份、纳米活性氧化锌6份、金属有机骨架吸附材料6份、蒙脱土20份、非离子表面活性剂8份、去离子水40份。
结合第一方面，在一种可能的实施例中，所述纳米二氧化钛晶体结构为锐钛矿型，所述纳米二氧化钛的粒径范围为1～20nm，优选5～10nm。
结合第一方面，在一种可能的实施例中，所述纳米二氧化钛的制备方法包括如下步骤：
将钛前驱体经60～80℃加热熔融的聚合物中，恒温搅拌10～20min得到粘稠混合物，搅拌条件下滴加浓盐酸和四氯化钛，滴加完毕后升温至120～160℃下反应2～3h，产物经无水乙醇洗涤2～3次后，在2000～3000r/min条件下进行离心分离、经减压真空干燥后得到水溶性纳米二氧化钛。
结合第一方面，在一种可能的实施例中，所述纳米活性氧化锌粒径范围为5～25nm，所述纳米活性氧化锌的制备方法包括如下步骤：
将重量比为1:1.3～1.5硫酸锌溶液与碳酸钠溶液在75～85℃的温度下进行中和反应，将混合液压滤后获得碱式碳酸锌，洗去碱式碳酸锌中的硫酸根，将反应后的溶液过滤除水后进行真空干燥，获得粉状碱式碳酸锌，将粉状碱式碳酸锌送入动态煅烧炉内，在800～1000℃的热空气中进行煅烧，碱式碳酸锌分解为氧化锌，分解后的氧化锌经捕集器捕集获得高活性纳米氧化锌。
本申请制备的纳米活性氧化锌在光照条件下，在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电的电子(e-)，同时留下带正电的空穴(h+)。这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应(包括细菌内的有机物)，从而把大多数病菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和病毒杀死。
结合第一方面，在一种可能的实施例中，所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯中一种或多种混合物。
结合第一方面，在一种可能的实施例中，所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的混合物；所述十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的重量比为1～3：1：1。
本申请第二方面提供了上述多功能环保空气净化复合新材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取重量份的洁净蜂窝活性炭、纳米活性氧化锌、金属有机骨架吸附材料和蒙脱土分散于重量份的去离子水中充分搅拌1～2小时，加热至80～90℃后加入纳米二氧化钛和非离子表面活性剂，继续搅拌0.5～1小时，获得悬浮液；
(2)将所述悬浮液进行真空抽滤除水，在110～120℃真空干燥，研磨后送入动态煅烧炉内，在400～600℃的热空气中进行煅烧，获得多功能环保空气净化复合材料。
结合第二方面，在一种可能的实施例中，步骤(1)中所述搅拌速度为800～1200r/min。
本申请制备方法简单，生产周期短，生产成本低，适合大规模生产。
与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：
1)本申请提供的一种多功能环保空气净化复合新材料包含具有光催化活性和分散性能优异的纳米二氧化钛，具有杀菌、抗病毒和化学活性良好的纳米活性氧化锌，具有可调的拓扑结构和孔道，且具有超大的孔隙率和比表面积的金属有机骨架吸附材料，具有超强吸附性能的自洁净蜂窝活性炭和蒙脱土，添加非离子表面活性剂，通过多次实验摸索出合适的组份配比，配合快速搅拌和动态煅烧工艺，制备所得的本申请多功能环保空气净化复合新材料无毒环保、在对空气中有害气体吸附后，在活性催化和光作用下，能高效的把空气中的甲醛、苯、汽车尾气、工厂废气、药厂废气等有机污染物分解为水、二氧化碳、负离子等；同时能使空气中的雾霾颗粒降解成水、二氧化碳等，其剩余无机部分形成易溶于水的硝酸盐、硫酸盐等，形成不在空气中漂浮的硝酸矿物质、硫酸盐矿物质等无害物质。本申请提供的复合新材料通过物理吸附和化学分解的双重作用，对消除空气中的有害气体和雾霾颗粒迅速，为治理大气污染提供了最绿色的解决方案。
当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
具体实施方式
以下将通过实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本申请中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备，均来自市售产品。本申请中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例第一方面提供一种多功能环保空气净化复合新材料，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛7份、自洁净蜂窝活性炭15份、纳米活性氧化锌6份、金属有机骨架吸附材料6份、蒙脱土20份、非离子表面活性剂8份、去离子水40份。
所述纳米二氧化钛晶体结构为锐钛矿型，所述纳米二氧化钛的粒径范围为5～10nm。
所述纳米二氧化钛的制备方法步骤如下：
将钛前驱体经70℃加热熔融的聚合物中，恒温搅拌15min得到粘稠混合物，搅拌条件下滴加浓盐酸和四氯化钛，滴加完毕后升温至140℃下反应2.5，产物经无水乙醇洗涤2次后，在2400～2500r/min条件下进行离心分离、经减压真空干燥后得到水溶性纳米二氧化钛。
所述纳米活性氧化锌粒径范围为5～25nm，所述纳米活性氧化锌的制备方法步骤如下：
将重量比为1:1.4硫酸锌溶液与碳酸钠溶液在80～82℃的温度下进行中和反应，将混合液压滤后获得碱式碳酸锌，洗去碱式碳酸锌中的硫酸根，将反应后的溶液过滤除水后进行真空干燥，获得粉状碱式碳酸锌，将粉状碱式碳酸锌送入动态煅烧炉内，在900～910℃的热空气中进行煅烧，碱式碳酸锌分解为氧化锌，分解后的氧化锌经捕集器捕集获得高活性纳米氧化锌。
所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的混合物；所述十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的重量比为2：1：1。
上述多功能环保空气净化复合新材料的制备方法，步骤如下：
(1)取重量份的洁净蜂窝活性炭、纳米活性氧化锌、金属有机骨架吸附材料和蒙脱土分散于重量份的去离子水中充分搅拌1.5小时，加热至85℃后加入纳米二氧化钛和非离子表面活性剂，继续搅拌0.8小时，获得悬浮液；
(2)将所述悬浮液进行真空抽滤除水，在114～116℃真空干燥，研磨后送入动态煅烧炉内，在500℃的热空气中进行煅烧，获得多功能环保空气净化复合材料。
进一步的，步骤(1)中所述搅拌速度为1000r/min。
实施例2
本实施例的多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法与实施例1相类似，所述多功能环保空气净化复合材料，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛6份、自洁净蜂窝活性炭10份、纳米活性氧化锌4份、金属有机骨架吸附材料5份、蒙脱土15份、非离子表面活性剂6份、去离子水30份。
所述纳米二氧化钛的制备方法步骤如下：
将钛前驱体经60℃加热熔融的聚合物中，恒温搅拌10min得到粘稠混合物，搅拌条件下滴加浓盐酸和四氯化钛，滴加完毕后升温至120℃下反应2h，产物经无水乙醇洗涤2次后，在2000～2100r/min条件下进行离心分离、经减压真空干燥后得到水溶性纳米二氧化钛。
所述纳米活性氧化锌粒径范围为5～25nm，所述纳米活性氧化锌的制备方法步骤如下：
将重量比为1:1.3硫酸锌溶液与碳酸钠溶液在75～76℃的温度下进行中和反应，将混合液压滤后获得碱式碳酸锌，洗去碱式碳酸锌中的硫酸根，将反应后的溶液过滤除水后进行真空干燥，获得粉状碱式碳酸锌，将粉状碱式碳酸锌送入动态煅烧炉内，在800～810℃的热空气中进行煅烧，碱式碳酸锌分解为氧化锌，分解后的氧化锌经捕集器捕集获得高活性纳米氧化锌。
所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷和聚丙烯酰胺的混合物；所述十二烷基葡糖苷和聚丙烯酰胺的重量比为1：1。
上述多功能环保空气净化复合新材料的制备方法，步骤如下：
(1)取重量份的洁净蜂窝活性炭、纳米活性氧化锌、金属有机骨架吸附材料和蒙脱土分散于重量份的去离子水中充分搅拌1小时，加热至80℃后加入纳米二氧化钛和非离子表面活性剂，继续搅拌0.5小时，获得悬浮液；
(2)将所述悬浮液进行真空抽滤除水，在110～112℃真空干燥，研磨后送入动态煅烧炉内，在400℃的热空气中进行煅烧，获得多功能环保空气净化复合材料。
进一步的，步骤(1)中所述搅拌速度为800r/min。
实施例3
本实施例的多功能环保空气净化复合新材料及其制备方法与实施例1相类似，所述多功能环保空气净化复合材料，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛8份、自洁净蜂窝活性炭20份、纳米活性氧化锌8份、金属有机骨架吸附材料7份、蒙脱土25份、非离子表面活性剂10份、去离子水50份。
所述纳米二氧化钛的制备方法步骤如下：
将钛前驱体经80℃加热熔融的聚合物中，恒温搅拌20min得到粘稠混合物，搅拌条件下滴加浓盐酸和四氯化钛，滴加完毕后升温至160℃下反应3h，产物经无水乙醇洗涤3次后，在2900～3000r/min条件下进行离心分离、经减压真空干燥后得到水溶性纳米二氧化钛。
所述纳米活性氧化锌粒径范围为5～25nm，所述纳米活性氧化锌的制备方法步骤如下：
将重量比为1:1.5硫酸锌溶液与碳酸钠溶液在83～85℃的温度下进行中和反应，将混合液压滤后获得碱式碳酸锌，洗去碱式碳酸锌中的硫酸根，将反应后的溶液过滤除水后进行真空干燥，获得粉状碱式碳酸锌，将粉状碱式碳酸锌送入动态煅烧炉内，990～1000℃的热空气中进行煅烧，碱式碳酸锌分解为氧化锌，分解后的氧化锌经捕集器捕集获得高活性纳米氧化锌。
所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的混合物；所述十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的重量比为3：1：1。
上述多功能环保空气净化复合新材料的制备方法，步骤如下：
(1)取重量份的洁净蜂窝活性炭、纳米活性氧化锌、金属有机骨架吸附材料和蒙脱土分散于重量份的去离子水中充分搅拌2小时，加热至90℃后加入纳米二氧化钛和非离子表面活性剂，继续搅拌1小时，获得悬浮液；
(2)将所述悬浮液进行真空抽滤除水，在118～120℃真空干燥，研磨后送入动态煅烧炉内，在600℃的热空气中进行煅烧，获得多功能环保空气净化复合材料。
进一步的，步骤(1)中所述搅拌速度为1200r/min。
对比例1
本对比例提供的多功能环保空气净化复合新材料与实施例1的区别仅在于：原料组成中不包含纳米活性氧化锌和自洁净蜂窝活性炭。
对比例2
本对比例提供的多功能环保空气净化复合新材料与实施例1的区别仅在于：原料组成中不包含纳米二氧化钛和金属有机骨架吸附材料。
测试例1
对本申请实施例1-3和对比例1-2的多功能环保空气净化复合新材料进行室内PM2.5和甲醛去除情况进行测试。
空气质量指数(AQI)在250-300非常不健康的雾霾天气，刚刚完工的精装修房，选5个面积为18平方的无人房间密闭门窗后进行测试。
测试方法：将对本申请实施例1-3和对比例1-2制备的多功能环保空气净化复合新材料加5倍量85％乙醇溶液，搅拌均匀，采用0.5mm口径喷枪均匀喷洒在室内家具、墙壁和地面上。
PM2.5室内空气质量指数(AQI)和甲醛浓度检测采用通用设备和常规方法。具体测试结果见表1，其中中国甲醛达到国家标准≤0.08㎎/m3。
表1：
从上表1知，本申请实施例1至3的甲醛去除情况和PM2.5的改善情况明显优于对比例1和对比例2的清除改善效果。因此，本申请的多功能环保空气净化复合新材料的配方中各组份在优选数值范围内能够协同增效，配合快速搅拌和动态煅烧工艺，制备所得的本申请多功能环保空气净化复合新材料无毒环保，能够快速的清除室内异味，对消除空气中的有害气体如甲醛和雾霾颗粒仅需1.5小时，使用安全，对人体和动物无任何毒副作用，为治理大气污染提供了最绿色的解决方案。
与现有技术相比，本申请实施例可以获得包括以下技术效果：
本申请实施例提供的一种多功能环保空气净化复合新材料包含具有光催化活性和分散性能优异的纳米二氧化钛，具有杀菌、抗病毒和化学活性良好的纳米活性氧化锌，具有可调的拓扑结构和孔道，且具有超大的孔隙率和比表面积的金属有机骨架吸附材料，具有超强吸附性能的自洁净蜂窝活性炭和蒙脱土，添加非离子表面活性剂，通过多次实验摸索出合适的组份配比，配合快速搅拌和动态煅烧工艺，制备所得的本申请多功能环保空气净化复合新材料无毒环保、在对空气中有害气体吸附后，在活性催化和光作用下，能高效的把空气中的甲醛、苯、汽车尾气、工厂废气、药厂废气等有机污染物分解为水、二氧化碳、负离子等；同时能使空气中的雾霾颗粒降解成水、二氧化碳等，其剩余无机部分形成易溶于水的硝酸盐、硫酸盐等，形成不在空气中漂浮的硝酸矿物质、硫酸盐矿物质等无害物质。本申请提供的复合新材料通过物理吸附和化学分解的双重作用，对消除空气中的有害气体和雾霾颗粒迅速，为治理大气污染提供了最绿色的解决方案。
本申请还存在其它多种可实施的技术方案，在此不做一一列举，本申请权利要求中要求保护的技术方案都是可以实施的。
本申请说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。
如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛6～8份、自洁净蜂窝活性炭10～20份、纳米活性氧化锌4～8份、金属有机骨架吸附材料5～7份、蒙脱土15～25份、非离子表面活性剂6～10份、去离子水30～50份。
2.如权利要求1所述的一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于，由下述重量份的原料组成：纳米二氧化钛7份、自洁净蜂窝活性炭15份、纳米活性氧化锌6份、金属有机骨架吸附材料6份、蒙脱土20份、非离子表面活性剂8份、去离子水40份。
3.如权利要求1或2所述的一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛晶体结构为锐钛矿型，所述纳米二氧化钛的粒径范围为1～20nm，优选5～10nm。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛的制备方法包括如下步骤：
将钛前驱体经60～80℃加热熔融的聚合物中，恒温搅拌10～20min得到粘稠混合物，搅拌条件下滴加浓盐酸和四氯化钛，滴加完毕后升温至120～160℃下反应2～3h，产物经无水乙醇洗涤2～3次后，在2000～3000r/min条件下进行离心分离、经减压真空干燥后得到水溶性纳米二氧化钛。
5.如权利要求1或2所述的一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于，所述纳米活性氧化锌粒径范围为5～25nm，所述纳米活性氧化锌的制备方法包括如下步骤：
将重量比为1:1.3～1.5硫酸锌溶液与碳酸钠溶液在75～85℃的温度下进行中和反应，将混合液压滤后获得碱式碳酸锌，洗去碱式碳酸锌中的硫酸根，将反应后的溶液过滤除水后进行真空干燥，获得粉状碱式碳酸锌，将粉状碱式碳酸锌送入动态煅烧炉内，在800～1000℃的热空气中进行煅烧，碱式碳酸锌分解为氧化锌，分解后的氧化锌经捕集器捕集获得高活性纳米氧化锌。
6.如权利要求1或2所述的一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于,所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯中一种或多种混合物。
7.如权利要求6所述的一种多功能环保空气净化复合新材料，其特征在于,所述非离子表面活性剂为十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的混合物；所述十二烷基葡糖苷、聚丙烯酰胺和蔗糖单硬脂酸酯的重量比为1～3：1：1。
8.如权利要求1-7中任一项所述多功能环保空气净化复合新材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取重量份的洁净蜂窝活性炭、纳米活性氧化锌、金属有机骨架吸附材料和蒙脱土分散于重量份的去离子水中充分搅拌1～2小时，加热至80～90℃后加入纳米二氧化钛和非离子表面活性剂，继续搅拌0.5～1小时，获得悬浮液；
(2)将所述悬浮液进行真空抽滤除水，在110～120℃真空干燥，研磨后送入动态煅烧炉内，在400～600℃的热空气中进行煅烧，获得多功能环保空气净化复合材料。
9.如权利要求8所述的多功能环保空气净化复合新材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述搅拌速度为800～1200r/min。
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