CN108939813A - 一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法，以常规活性炭作为基炭，测得基炭的饱和吸附水量M；称取一定质量的有机盐类、有机酸类、有机氮类以及去离子水；将有机盐类、有机酸类、有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置后超声辅助处理，再将基炭平铺，经风干、烘干，冷却至室温，即得改性活性炭。本发明通过化学负载的方法对其改性，采用有机盐、有机酸以及有机氮类组合的改性试剂，得到负载有有效活性物质的改性活性炭，能够高效吸附去除空气中的甲醛，吸附空气中甲醛能力能够>90%，达到优级去甲醛专用炭的水平。本发明制备方法简单，成本低廉，能够长时间不断消除吸附的甲醛，不易分散造成二次污染。

Description

一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法
技术领域
本发明涉及一种活性炭的改性方法，具体涉及一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法。
背景技术
甲醛是一种有毒气体，它会降低机体的各个器官的抗氧化能力，从而导致器官氧化损伤，并且浓度越高损伤就越严重。当室内甲醛的浓度大于0.08m³的时候，可引起眼红、眼痒、咽喉不适或疼痛、声音嘶哑、喷嚏、胸闷、气喘、皮炎等症状，是众多疾病的主要诱因。孕妇长期吸入可能导致胎儿畸形，甚至死亡，男子长期吸入可导致男子精子畸形、死亡等，还可引起鼻癌。一般新装修的房间中，甲醛含量较高，这也是普通人在生活中接触甲醛的主要方式。由于甲醛在胶粘剂行业的广泛应用，在家具以及新车等一般用漆中都会含有甲醛，并且在购买使用的一段时间内不断释放，新装修的房屋甲醛释放量则更为严重。因此，国内外采取了很多种方法来治理室内甲醛的污染，这些净化技术主要有：吸附技术、光催化技术、空气负离子技术、化学中和技术、臭氧氧化技术、生物技术、常温催化氧化技术、材料封闭技术等。这些技术各有各自的优点，而采用吸附技术是当前的主流净化室内甲醛的技术之一，因其方便有效的原因而广泛应用。
吸附空气中的甲醛多用活性炭，需要定期更换，以免达到吸附饱和反而成为甲醛释放源造成二次污染。但是普通活性炭吸附甲醛为物理吸附，吸附不稳定易二次污染，且吸附甲醛能力低下，更换周期短，炭消耗量大。
申请号为2017105391912《一种高效去除空气中甲醛的改性活性炭的制备方法》制得的活性炭，在处理甲醛污染空气时，随着甲醛不断地去除，在低浓度下不能够很好的完全清除甲醛，致使经过该活性炭处理净化的空气中仍含有部分微量甲醛，这也就导致了该吸附剂输出洁净空气量低。
发明内容
为解决上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法，包括下列步骤：
（1）原料准备：以常规活性炭作为基炭，测得基炭的饱和吸附水量M；称取基炭质量0～20%的有机盐类，称取基炭质量0~20%的有机酸类，称取基炭质量0~10%的有机氮类；取饱和吸附水量M的1～2倍的去离子水；所称取的有机盐类、有机酸类、有机氮类中不能有两者同时为零；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机盐类、有机酸类、有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置1~2小时，使基炭充分吸收溶液，再以超声辅助处理1～60分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于50～80℃下烘干1～6小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
所述步骤（1）的常规活性炭为煤质活性炭、木质活性炭、果壳活性炭中的一种或几种。
所述步骤（1）的常规活性炭为颗粒状、粉末状或无定形。
所述步骤（1）的饱和吸附水量M是按下列操作测得：称量1Kg待测基炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测基炭的饱和吸附水量M。
所述步骤（1）的有机盐类为醋酸钠CH2COONa、苯甲酸钠C6H5COONa、水杨酸钠NaC7H5O3、柠檬酸钠Na3C6H5O7、醋酸钾CH2COOK、对氨基苯甲酸钾C7H6KNO2中的一种或多种。
所述步骤（1）的有机氮类为苯胺、二乙胺、二甲胺、尿素、吗啡啉、N,N-二甲基苯胺中的一种或多种。
所述步骤（1）的有机酸类为柠檬酸、抗坏血酸、水杨酸、棕榈酸、对甲苯磺酸、对氨基苯甲酸、苯丙氨酸中的一种或多种。
所述步骤（2）的超声辅助处理的功率为100w。
本发明解决其技术问题所采用的去除室内甲醛的活性炭的改性方法是通过化学浸渍法对普通活性炭进行化学改性，从而在普通的活性炭的多孔结构上负载活性物质，能够快速捕捉室内甲醛，并消除孔道结构内捕捉到的甲醛分子，以达到提高吸附甲醛量，以及提高活性炭对甲醛的吸附稳定性。
现市面所售卖去甲醛活性炭多通过物理吸附而除甲醛，以达到吸附平衡浓度，并且对甲醛的吸附也不稳定，易受到温度、湿度、压力等因素影响，从而使得其所吸附的甲醛分子发生了脱附而再次释放造成了二次污染，并且不易完全清除低浓度甲醛。与市面上所售卖的普通活性炭相比较，本发明所制备的改性活性炭通过在孔道表面负载活性分子，能够快速捕捉并吸附空气中的甲醛分子，从而一步降低室内甲醛浓度，并且通过改性所负载的化学添加剂，快速降解孔道中所吸附的甲醛，使得活性炭可以再次吸附空气中的甲醛分子并且进一步消除，而实现降低活性炭的甲醛吸附平衡浓度，且能够在低浓度的甲醛条件下，不断吸附去除甲醛，净化空气。这种机理结合了物理吸附-化学降解-循环三个步骤，首先实现对甲醛的快速捕捉吸附，并且在炭孔道内逐渐降解，从而可以再次吸附并降解室内甲醛分子，实现了可以循环吸附降解室内甲醛分子的目的，且可以长时间的持续消除甲醛。
综上所述，以本发明提供的除甲醛改性活性炭的改性方法所制备的除甲醛改性活性炭，具有以下优点：（1）原料为普通活性炭，安全无毒、价格低廉、容易获取；（2）改性方法方便异行，可在工业扩大生产，具有市场前景；（3）本发明所制备改性活性炭对室内甲醛的消除采用物理吸附固定-化学反应消除-再吸附消除循环相结合的方法，除甲醛效果明显，安全稳定，长期有效，使用方便；（4）本发明所制备的改性活性炭对室内低浓度甲醛仍有很强的吸附消除作用，能够完全消除空气中的低浓度甲醛，释放洁净无污染空气。
本发明提出了在现有普通活性炭基础上，通过化学负载的方法对其改性，用有机盐、有机酸以及有机氮类组合的改性试剂，得到负载有有效活性物质的改性活性炭，能够高效的吸附去除空气中的甲醛。根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到的净化空气效率以洁净空气量值判定（clean air delivery rate, CADR; m3/h），吸附空气中甲醛能力能够>90%，达到优级去甲醛专用炭的水平。与其他活性炭相比，制备方法简单，成本低廉，很大程度地降低去甲醛炭的成本，并且负载的有效物质成分稳定吸附在活性炭内，能够长时间不断消除吸附的甲醛，不易分散造成二次污染。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，本领域技术人员在阅读了本发明讲授的内容之后，可以对内容作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
（1）原料准备：按下列操作测煤质活性炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg煤质活性炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该煤质活性炭的饱和吸附水量M=600g/Kg；
以5～10目颗粒状的煤质活性炭5Kg作为基炭，称取基炭质量1%的有机盐类；称取基炭质量0.04%的有机氮类（包括50g柠檬酸钠Na3C6H5O7和2g吗啡啉）；取饱和吸附水量M的2倍的去离子水6000g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机盐类和有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置1小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理60分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于80℃下烘干6小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到98%，CADR值为44 m3/h。
实施例2
（1）原料准备：按下列操作测椰壳活性炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg待测椰壳活性炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测椰壳活性炭的饱和吸附水量M=800g/Kg；
以10～28目无定形的椰壳活性炭5kg作为基炭，称取基炭质量1%的有机酸类，称取基炭质量0.2%的有机氮类（包括50g抗坏血酸和10g尿素）；取饱和吸附水量M的1倍的去离子水4000g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机酸类和有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置2小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理30分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于60℃下烘干5小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到92%，CADR值为33 m3/h。
实施例3
（1）原料准备：按下列操作测木质活性炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg待测木质活性炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测木质活性炭的饱和吸附水量M=900g/K；
以40～80目粉末状的木质活性炭5kg作为基炭，称取基炭质量1w/w%的有机盐类，称取基炭质量0.4w/w%的有机酸类（含50g对氨基苯甲酸钾C7H6KNO2和20g对甲苯磺酸）；取饱和吸附水量M的1倍的去离子水4500g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的含氮物质溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置2小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理40分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于50℃下烘干1小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到94%，CADR值为37m3/h。
实施例4
（1）原料准备：以无定形椰壳活性炭1kg作为基炭，按下列操作测基炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg待测基炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测基炭的饱和吸附水量M=800g/Kg；
称取基炭质量5%的有机盐类，称取基炭质量0.5%的有机酸类（含50g柠檬酸钠Na3C6H5O7和5 g对氨基苯甲酸）；取饱和吸附水量M的2倍的去离子水1600g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的含氮物质溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置2小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理1分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于80℃下烘干6小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到95%，CADR值为31m3/h。
实施例5
（1）原料准备：以煤质活性炭1kg作为基炭，按下列操作测基炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg待测基炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测基炭的饱和吸附水量M=1200g/Kg；
称取基炭质量20%的有机盐类，称取基炭质量20%的有机酸类，再称取基炭质量10%的有机氮类（含100g水杨酸钠NaC7H5O3，100g苯甲酸钠C6H5COONa，200g苯丙氨酸，100gN,N-二甲基苯胺）；取饱和吸附水量M的2倍的去离子水2400g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机盐类、有机酸类、有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置2小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理5分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭过滤后平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于80℃下烘干5小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到98%，CADR值为45m3/h。
实施例6
（1）原料准备：按下列操作测木质活性炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg待测木质活性炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测木质活性炭的饱和吸附水量M=900g/K；
以40～80目粉末状的木质活性炭5kg作为基炭，称取基炭质量10%的有机氮类，称取基炭质量20%的有机酸类（含500g二乙胺，500g柠檬酸和500g对甲苯磺酸）；取饱和吸附水量M的2倍的去离子水9000g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机酸类和有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置2小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理40分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭过滤后平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于50℃下烘干1小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到95%，CADR值为42m3/h。
实施例7
（1）原料准备：按下列操作测椰壳活性炭的饱和吸附水量M：
称量1Kg待测椰壳活性炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测椰壳活性炭的饱和吸附水量M=800g/Kg；
以10～28目无定形的椰壳活性炭5kg作为基炭，称取基炭质量20%的有机酸类，称取基炭质量10%的有机氮类以及20%的有机盐类（包括500g抗坏血酸，500g柠檬酸，1000g苯甲酸钠C6H5COONa，250g苯胺以及250g二乙胺）；取饱和吸附水量M的2倍的去离子水8000g；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机盐类、有机酸类和有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置2小时，使基炭充分吸收溶液，再以功率为100w的超声辅助处理30分钟，此期间不时翻动基炭，使得溶液被充分均匀吸收；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，炭料厚度约1.5cm，不时翻动，经风干后于60℃下烘干5小时，此期间不时翻动基炭；烘干再立即置于干燥容器中，待自然冷却至室温，防止冷却过程中吸附水分，即得改性活性炭。
根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），一小时吸附空气中甲醛能力达到99%，CADR值为51 m3/h。
对比例1：常规5-10目颗粒煤质活性炭。
对比例2：按常规方法改性的5-10目颗粒煤制活性炭，改性方法为将500g活性炭浸在4%的高锰酸钾溶液中,用超声促进其浸渍,2h后取出烘干, 然后在氮气的保护下,于600℃加热半小时，使活性炭上的高锰酸钾完全分解成为MnOx(1≤x≤2 )完全冷却后，包装即得改性活性炭。
对比例3：按常规方法改性的无定形椰壳活性炭，改性方法为将颗粒活性炭浸泡在Na2CO3和NaHSO3混合饱和溶液中，浸泡1h后，再放入亚硫酸氢钠饱和溶液中浸泡1h;在70～80℃条件下干燥2h，冷却包装，即得改性活性炭。
对比例4：按照2017105391912《一种高效去除空气中甲醛的改性活性炭的制备方法》改性的5-10目煤纸颗粒活性炭，改性方法为500g活性炭浸泡在溶有60gNH4Cl和30g尿素CO(NH2)2的混合溶液中充分浸渍，经超声处理后取出，在70～80℃条件下干燥2h，冷却包装，即得改性活性炭。
将上述对比例和实施例所得到的活性炭均根据《JC/T 2188-2013 室内空气净化吸附材料净化性能》的标准建立检测实验舱，根据检测得到数据，依据《GBT18801-2015空气净化器(标准规范)》计算得到洁净空气量值（clean air delivery rate, CADR; m3/h），吸附空气中甲醛能力见下表：
由表格数据得知，通过本发明所用方法对普通活性炭进行化学改进，负载有效物质在颗粒碳的孔道中，能够很大幅度地提高活性炭除甲醛能力。

Claims (8)

1.一种高效去除室内甲醛的改性活性炭的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
（1）原料准备：以常规活性炭作为基炭，测得基炭的饱和吸附水量M；称取基炭质量0～20%的有机盐类，称取基炭质量0~20%的有机酸类，称取基炭质量0~10%的有机氮类；取饱和吸附水量M的1～2倍的去离子水；所称取的有机盐类、有机酸类、有机氮类中不能有两者同时为零；
（2）负载过程：将步骤（1）中的有机盐类、有机酸类、有机氮类溶解于去离子水中，再加入基炭混合均匀，静置1~2小时，再以超声辅助处理1～60分钟；
（3）干燥过程：将步骤（2）所得基炭平铺，经风干后于50～80℃下烘干1～6小时，待自然冷却至室温，即得改性活性炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的常规活性炭为煤质活性炭、木质活性炭、果壳活性炭中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的常规活性炭为颗粒状、粉末状或无定形。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的饱和吸附水量M是按下列操作测得：称量1Kg待测基炭，加入水并计量M0，搅拌均匀实现充分吸附，再经抽滤后称量滤液质量M1，扣除此质量即得被吸附的水量Mn，即Mn= M0- M1，重复测数次，取Mn的平均值即得到该待测基炭的饱和吸附水量M。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的有机盐类为醋酸钠CH2COONa、苯甲酸钠C6H5COONa、水杨酸钠NaC7H5O3、柠檬酸钠Na3C6H5O7、醋酸钾CH2COOK、对氨基苯甲酸钾C7H6KNO2中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的有机氮类为苯胺、二乙胺、二甲胺、尿素、吗啡啉、N,N-二甲基苯胺中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的有机酸类为柠檬酸、抗坏血酸、水杨酸、棕榈酸、对甲苯磺酸、对氨基苯甲酸、苯丙氨酸中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的超声辅助处理的功率为100w。
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