CN108940228B - 一种能清除空气中颗粒物质的聚合物吸附材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种环氧基聚合物吸附材料及其制备方法，它是通过环氧树脂有机分散体系在固体状态下固化并清洗除去分散剂、最后通过亲水化处理而获得，该材料具有1～50μm的超大孔以及大孔，其孔隙率高于90％，表观密度低于0.1g/mL。制备过程中使用三羟甲基丙烷作为分散剂，利用其与环氧树脂E‑51适度亲和性而起到分散作用，并且通过在冷却过程中的连续结晶行为而致孔，在固体状态下固化环氧树脂，避免了相分离对材料性能的影响。所制备的聚合物吸附材料能够将颗粒物质清除，实现污染空气的净化，这种空气净化方式的优点是：装置结构简单，材料能多次循环使用，成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都无害，没有二次污染。

Description

一种能清除空气中颗粒物质的聚合物吸附材料及其制备方法
技术领域
本发明是关于一种新型聚合物吸附材料的制备及其在清除空气中颗粒物质中的应用。使用该聚合物吸附材料可提供一种既方便快捷又效果极佳的去除空气中颗粒物质的方法。
背景技术
直径小于2.5微米的颗粒物质称为PM2.5，近年来随着汽车尾气、工业燃烧、家庭或自然所带来的污染加剧，空气中PM2.5的浓度迅速升高，对人体健康的危害越来越严重。据一项新的研究称，每年世界范围内因为空气污染造成的过早死亡病例有近210万。通过大量的研究发现，PM2.5水平与肺癌发病率和死亡率呈正相关，PM2.5可以进入血液，所携带的东西会造成心脏的损害，研究显示PM2.5每升高10μg/m3，肺癌的死亡率就会上升17％-25％左右。世界卫生组织今年11月17日发表的一项研究结果还认为，雾霾与抽烟一样，可以引起肺癌，还有可能引起膀胱癌。PM2.5致人死亡不是单纯死于肺癌，而是心肺的整体性损害。中美合作做了20年的统计，调查烧煤区与不烧煤地区人群的寿命，以此来计算雾霾对人的影响，结果显示，在烧煤的淮河以北，人的平均寿命比淮河以南人群寿命低5.52年。
历史经验和实际状况表明，治理空气污染是个长期的过程，抵御空气污染，目前主要依靠技术手段。对于如医院、芯片车间、手术室等大型建筑，建造室内空气过滤系统是目前的解决方式，经过三重过滤技术，让室内外空气健康循环，实现99％的净化，建立一道天然屏障，彻底消除室内污染。对于居室内小范围的空气净化问题，目前利用小型空气净化器来净化解决的，其所依赖的基本上都是过滤和吸附技术，过滤所用的介质基本上都是HEPA折叠过滤膜，主要用于过滤空气中的PM2.5以及尺寸更大的灰尘，吸附所用的材料基本上都是活性炭，主要用于除去挥发性有机小分子。这种过滤技术存在两个缺点：一是过滤效果与空气流量之间存在矛盾，即为了提高过滤效果，往往要增加过滤层的厚度，那么空气的流通阻力增大，气流量就变小，为了在保证过滤效果的前提下增加气流量，就不得不增加风机的功率，这样既浪费了能量，又增大了噪音。另一个缺点就是HEPA是一次性使用，一旦灰尘积累过多，就只能更换新的，其使用成本较高。此外，过滤方法还存在潜在的技术瓶颈，清除PM2.5是它的过滤极限，它不能应付PM0.1那样的极微小污染物，而实际上污染物的尺寸越小，其带来的危害越大，这个问题应当引起足够的重视，今后对空气净化要求进一步提高的话，那么单纯依靠过滤技术是不够的。
本专利发明了一种新的高分子吸附材料，它的特点是拥有10～50μm的相互连通的超大孔以及极为复杂的孔壁形貌，经过实验证明，PM10与PM2.5完全能够进入该材料的孔道内部而被孔壁吸附，通过这种吸附方式能有效清除空气中的颗粒物质，并且积聚在吸附材料内的颗粒物质很容易用水清洗除去，从而实现多次循环使用。这种空气净化的方案有很多优点：装置结构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都友好，没有二次污染。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是提供一种操作方便、效果良好的湿法空气净化新方案，它依赖一种聚合物吸附材料，这种材料拥有1～50μm的相互连通的超大孔以及极为复杂的孔壁形貌，其孔隙率达到90％以上，孔径分布极宽，与颗粒物质的尺寸分布有很好的匹配性，因而很容易吸附颗粒物质，又能使空气快速流通，可以达到净化空气的目的。吸附在材料中的污染物很容易用水清洗，能够多次循环使用，这种空气净化的方案有很多优点：装置结构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都友好，没有二次污染，非常适合在人居环境中应用。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述聚合物吸附材料的制备方法，它切实可行，操作简便，不污染环境，易于批量生产。
本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种上述聚合物吸附材料在空气净化中的使用方法。
1、本发明解决的首要技术问题所采用的技术方案为：一种聚合物吸附材料，其结构具有如图1所示的特征，这种材料拥有1～50μm的相互连通的超大孔以及极为复杂的孔壁形貌，其孔隙率达到90％以上，由于孔径与颗粒物质尺寸在分布上存在很好的匹配性，所以很容易吸附颗粒物质，又能使空气快速流通，可以达到净化空气的目的。
非常有益的是，上述的聚合物吸附材料表面带有大量的磺酸根负离子基团，因而具有很强的亲水性，非常有利于清洗被吸附的颗粒物质，使其能够多次循环使用，因而降低成本。
2、本发明解决的另一个技术问题所采用的技术方案为：一种上述聚合物吸附材料的制备方法，其特征步骤为：1)三羟甲基丙烷加热融化至能流动液体，加入环氧树脂(牌号E-51)快速搅拌得到白色分散液，三羟甲基丙烷与环氧树脂的质量比在20/1～30/1范围，迅速加入二乙烯三胺，环氧树脂与二乙烯三胺的质量比在8/1～6/1范围；2)用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，最后得到粘稠的半固体，迅速倒入模具中，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却2～3小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体；3)将固体在45℃下固化12～15小时，固体产物放入水中浸泡，彻底洗去三羟甲基丙烷，然后放入真空烘箱中常温下干燥，得到白色的稳定的聚合物多孔材料；4)将聚合物材料放入丙磺酸内脂的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在2wt.％～4wt.％范围，室温下浸泡反应2～3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。
非常有益的是，三羟甲基丙烷对环氧树脂既有一定的亲和性，但又不能将环氧树脂完全溶解，这种状态非常有利于连续结晶，形成从微米尺度到纳米尺度的结晶，从而制造出孔径分布极宽的多孔结构；
非常有益的是，环氧树脂是在低于三羟甲基丙烷熔点的温度下，也就是固体状态下发生固化反应，这样就能完全避免相分离对产物形貌造成的影响，保证了产物内部形貌的连续性以及宏观上的机械强度；
非常有益的是，在分散液中环氧树脂的浓度可以非常低，因而所得到的多孔材料其表观密度也非常低，孔隙率很大，其内部的三维孔道完全贯通。
2、本发明解决的再一个技术问题所采用的技术方案为：上述聚合物吸附材料在清除空气中颗粒物质污染中的应用方法，其特征在于先将聚合物吸附材料切割成1×1×1mm颗粒状，然后填充在一个如图2所示的通风装置中，装置被封闭在一个总体积为2m3空间中，填充厚度可根据阻力以及风机的功率大小决定，在风机的推动力作用下，污染空气流通在颗粒堆积的缝隙中，在此过程中颗粒物质被聚合物材料俘获并吸附，通过测量单位时间净化前后空气的PM2.5指数来评价其对空气的净化效果。
非常有益的是，上述处理方法操作简单，材料可以重复使用，运行成本合理，由于不是基于过滤原理，所以无论何种尺寸的颗粒物质都能清除，效果理想，不会造成二次污染。
本发明的优点在于：与现有的过滤方法相比，用吸附法清除空气中的颗粒物质不会有堵塞问题，通过吸附、收集、清洗可以将空气中的颗粒物质最终转移到水中，不会造成二次污染。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
材料制备：
实施例1
60.0g三羟甲基丙烷加热融化至透明能流动液体，加入3.0g环氧树脂E-51搅拌分散，加入0.44g二乙烯三胺，用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，得到粘稠的半固体，其中含有大量微小晶体，倒入塑料模具，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却结晶3小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体，在45℃下固化12小时，水中反复浸泡至三羟甲基丙烷彻底去除后，真空中常温干燥，得到白色泡沫状材料，将聚合物材料放入丙磺酸内脂的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在4wt.％，室温下浸泡反应2小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。
实施例2
90.0g三羟甲基丙烷加热融化至透明能流动液体，加入3.0g环氧树脂E-51搅拌分散，再加入0.50g二乙烯三胺，不断搅拌得到良好的分散液，用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，得到粘稠的半固体，其中含有大量微小晶体，倒入塑料模具，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却结晶4小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体，在45℃下固化14小时，在水中反复浸泡至三羟甲基丙烷彻底去除后，真空中常温干燥，得到白色泡沫材料，将聚合物材料放入丙磺酸内脂的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在2wt.％，室温下浸泡反应3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。
净化效果测试：
以大气本身的颗粒物质作为净化目标，实验时测得环境的PM2.5平均浓度为157μg/m3，用送风机将自然空气通过管道穿过不同厚度的吸附材料填充柱，以填充柱的截面积计算空气流量，用仪表测定空气经过5分钟净化前后的PM2.5浓度，须说明的是，实际的空气净化器是经过多次循环净化后所得到的结果，因而净化时间越长空气质量越好，这一点必须加以区别。本实验旨在测定材料本身的净化作用，而不是最终产品的净化效果。
测试结果：表1列出了不同材料厚度及不同空气流量下的测试结果，由此可以得出以下三个结论：1、模拟大自然净化方式的湿法空气净化效果是存在的，按照国家规定PM2.5浓度在35μg/m3以下就属于优质空气，那么表中有一些结果就达到了这个标准；2、空气流量越大，单位时间内空气循环次数就大，PM2.5浓度降低幅度越大，净化效果越好，但是空气流量大的话，风机产生的噪音也就越大，所以空气流速不是越高越好；3、材料厚度越大，净化效果就越好，但是空气阻力也会随厚度的增加而增大，风机的耗能也就越大。
表1 不同填充厚度和空气流量下的净化效果
Figure BSA0000145637600000051
附图说明
图1吸附材料的扫描电镜图像。图2空气净化装置示意图。

Claims (2)

1.一种环氧基聚合物吸附材料，其特征在于拥有1～50μm的相互贯通的超大孔和大孔以及凹凸不平的孔壁形貌，孔隙率高于90％，表观密度低于0.1g/mL，它能够将空气中的颗粒物质以吸附的方式净化，并且通过水洗的方式将吸附的颗粒物质清除后再生，实现多次重复使用；
所述的环氧基聚合物吸附材料是通过环氧树脂/有机物分散体系在固体状态下固化后再水洗除去分散剂、最后通过亲水化处理而获得；
所述的环氧基聚合物吸附材料制备方法，其特征在于使用三羟甲基丙烷熔体作为有机分散剂，利用其在冷却过程中的连续结晶而致孔，三羟甲基丙烷先后起到了分散剂和致孔剂的作用。
2.一种权利要求1所述的环氧基聚合物吸附材料的制备方法，其特征在于步骤依次为：
1)三羟甲基丙烷加热融化至能流动液体，加入环氧树脂E-51快速搅拌得到白色分散液，三羟甲基丙烷与环氧树脂的质量比在20/1～30/1范围，迅速加入二乙烯三胺，环氧树脂与二乙烯三胺的质量比在8/1～6/1范围；
2)用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，最后得到粘稠的半固体，迅速倒入模具中，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却2～3小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体；
3)将固体在45℃下固化12～15小时，固体产物放入水中浸泡，彻底洗去三羟甲基丙烷，然后放入真空烘箱中常温下干燥，得到白色的稳定的聚合物多孔材料；
4)将聚合物材料放入丙磺酸内脂的乙醇溶液中，丙磺酸内酯 乙醇溶液的浓度在2wt.％～4wt.％范围，室温下浸泡反应2～3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。
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