CN109433223B

CN109433223B - 一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法及应用

Info

Publication number: CN109433223B
Application number: CN201811381261.7A
Authority: CN
Inventors: 谢贤宁; 张顺中; 林群
Original assignee: Suzhou Rongdian Environmental Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Rongdian Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: CN109433223A

Abstract

本发明提供了一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，先将粉状的过渡金属氧化物催化材料与溶解有粘结剂的水溶液按比例混合，将选取颗粒状载体加入浆料中，充分混合至颗粒载体表面都均匀裹涂上一层催化浆料；再将裹有催化浆料的颗粒转移至旋转管式炉中，使催化涂层呈半湿半干状态后进行脱水预热，然后进行恒温热处理，最终经过臭氧活化处理形成所需的空气净化颗粒。本发明的有益效果体现在：以本发明方法制备的净化颗粒外表均匀美观、机械强度高，可应用于花艺盆景、艺术画作中，同时能够在常温常压下氧化分解甲醛等气态污染物，既美化了环境，又净化了空气，具有观赏和实用的双重价值。

Description

一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法及应用

技术领域

本发明属于催化氧化技术领域，尤其涉及一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法及应用。

背景技术

人们对空气质量的要求推动了净化技术的发展，空气净化技术一般可分为主动式和被动式两种，如空气净化器类的器械和设备就属于主动式，它们通过风机主动地使空气循环通过滤芯从而达到净化效果。而活性炭包类的净化方式则属于被动式，活性炭包被放在固定的地方，被动地等待空气自然流经炭包，通过吸附去除空气中的污染物。

目前活性炭包类的被动式净化面临的主要问题是：活性炭包较小，且活性炭被包在无纺布袋中，堆积紧密，与自然流通的空气很难有效接触，因而实际净化效果十分有限。若要提高净化效果，必须在室内各处大量摆放活性炭包，但这会在一定程度上影响居室的美观和生活的便利。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法及应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1、将粉状的过渡金属氧化物催化材料与溶解有粘结剂的水溶液按比例混合并搅拌0.5–1.0小时，形成具有粘度和干度的浆料；所述氧化物催化粉料：水：粘结剂的重量比为200-500：100：5-10；

S2、选取颗粒状载体加入到S1形成的浆料中，并充分搅拌混合0.5–1小时至每个颗粒载体表面都均匀裹涂上一层催化浆料；

S3、将S2中裹有催化浆料的颗粒转移至旋转管式炉中，颗粒在管式炉中的填充率保持在60-80%，然后开启管式炉，使颗粒在室温下往复旋转1–2小时，管式炉转速控制在1~5r/min；在此旋转过程中，颗粒互相碰撞挤压，使催化浆料涂层更加均匀、更加牢固地粘覆在颗粒载体表面，经此旋转碰撞处理后，催化涂层呈半湿半干状态；

S4、将经过S3步骤的颗粒均匀分散在干燥的氧化钙粉体中进行混合，氧化钙和颗粒的体积比大于3：1；将混合物装填在容器中压实，同时覆盖填充氧化钙粉体，再次压实使容器中最终填充物的高度为容器总高的70 – 80%，通过重物将氧化钙表面压住，使氧化钙表面承受的压力大于0.2MPa使颗粒进行脱水预热过程；该步骤主要应用的原理为，在此化学过程中，由于容器中的氧化钙吸收催化浆料涂层中的水分后生成氢氧化钙，容器内混合物体积膨胀，同时放出大量的热（容器内温度可达100℃）。这样，催化涂层的水分就被氧化钙脱去，同时由于温度升高和体积膨胀，涂层被加热和挤压，机械强度增加。

S5、将经过S4脱水预热后的催化颗粒置于管式炉中，在大气气氛中逐渐升温加热，根据不同氧化物催化涂层的热稳定性，在300–600℃内，恒温热处理3–5小时；通过此热处理，催化涂层的一部分有机粘结剂被燃烧分解，在涂层表面和内部形成具有吸附性的微孔。

S6、将经过S5的催化颗粒放入臭氧活化处理舱中，使催化颗粒暴露在浓度为5–10ppm的臭氧气氛中，暴露时间为1–2小时形成最终所需的空气净化颗粒，按照颗粒大小进行大、中、小颗粒分类。暴露臭氧的目的是利用臭氧的强氧化性，对催化颗粒的表面进行氧化活化处理，改变催化涂层表面及孔系的微观化学环境，提高颗粒的吸附和催化性能。

优选地，所述S1中过渡金属氧化物包括但不限于FeO, Fe₂O₃, CuO, Cu₂O，NiO,MnO₂，TiO₂，Co₂O₃，TiO₂的一种或一种以上组合。

优选地，所述S1中所用的粘结剂为水性粘结剂，包括且不限于淀粉、甘油、聚苯乙烯磺酸盐、水玻璃等，所述催化材料的颗粒度均细于200目。

优选地，所述S2中颗粒载体与所述浆料的体积比为100:20-100。

优选地，所述S2中颗粒载体为且不限于为陶粒、氧化铝颗粒、黏土颗粒、页岩颗粒、活性炭颗粒，其形状为且不限于球状、椭圆状、柱状或不规则颗粒状，且所述颗粒载体的颗粒度在0.5–20mm。

优选地，所述S4中脱水预热反应时间维持在0.5–1小时。

优选地，所述S6中大颗粒的粒径为6–20mm，所述中颗粒的粒径为1–5mm，所述小颗粒的粒径为0.5–1mm。

优选地，一种如以上任意一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法制得的净化颗粒。

优选地，以上所述的净化颗粒中催化涂层的厚度为1µm – 2mm，颗粒表面均匀美观，机械强度好，不掉粉。

优选地，以上所述的净化颗粒的应用，所述颗粒直接应用于镂空容器中进行空气净化，或通过填充于网袋进行空气净化、或采用粘结形式应用于画作中进行空气净化。

优选地，将净化颗粒和石蕊/氧化铝球置于镂空容器内应用于对室内空气中甲醛含量进行快速的检验。

本发明的有益效果体现在：以本发明方法制备的净化颗粒外表均匀美观、机械强度高，可应用于花艺盆景、艺术画作中，同时能够在常温常压下氧化分解甲醛等气态污染物，既美化了环境，又净化了空气，具有观赏和实用的双重价值。

附图说明

图1：本发明大颗粒应用于镂空花瓶时花瓶的结构示意图。

图2：本发明制得的净化颗粒实物展示图。

图3：本发明应用于实际花瓶中的示意图。

图4：本发明净化颗粒应用于画作时涂覆一层的示意图。

图5：本发明的颗粒应用于画作时的画作展示图，其中黑色部分为本发明的颗粒部分。

具体实施方式

以下结合实施例具体阐述本发明的技术方案，本发明揭示了一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法及应用。该制备方法，包括如下步骤，

浆料配制及在载体上的裹涂：在一个典型的制备中，称取一定量的三种氧化物催化材料FeO、 Fe₂O₃、和MnO₂粉末，这三种粉末的颗粒度都细于200目，将三种粉末加入到6%的甘油水溶液中形成浆料，浆料中固体粉末和甘油水溶液的重量比为2：1。充分搅拌浆料，并往浆料中加入适量的黏土粉末，以调节浆料的黏度，黏土粉末的加入量不超过催化材料粉末总重量的6%。

在室温下连续搅拌浆料1小时后，把清洗干净的、直径为6 – 20mm的

大号颗粒载体（如园艺陶粒等）加入到浆料中，这里，颗粒载体与浆料的体积比5：2。充分搅拌颗粒载体与浆料的混合物1小时后，每个颗粒载体的表面都均匀裹涂上了一层催化浆料。

催化涂层的初步成型：将上述裹有催化涂层的颗粒转移至一旋转管式炉中，在适当的位置把管式炉的两端封住，使颗粒在管式炉中的填充率为70%，然后开启管式炉，使颗粒在室温下以5r/min的转速往复旋转1.5小时。在旋转过程中，颗粒互相碰撞挤压，使催化浆料涂层更加均匀、更加牢固地粘覆在颗粒载体表面，经此旋转碰撞处理后，催化涂层呈半湿半干状态,完成了涂层在载体上的初步成型。

催化涂层的脱水预热及中低温热处理定型：将上述初步成型的催化颗粒均匀分散在干燥的氧化钙粉体中，氧化钙和催化颗粒的体积比为4：1。将此混合物紧密装填在一个耐压的圆形不锈钢杯中，压实氧化钙和颗粒的混合物，并往杯中填入另外2体积的氧化钙粉体并压实，使得杯中填充物的高度为杯高的80%。然后将杯口的氧化钙表面用重物压住，使氧化钙表面承受的压力为0.3MPa。这个步骤为催化颗粒的脱水预热过程，在此化学过程中，不锈钢杯中的氧化钙吸收催化浆料涂层中的水分后生成氢氧化钙，杯内混合物体积膨胀，同时放出大量的热（用热电偶测得杯内温度约为100^oC）。如下面化学反应式所示，56g的氧化钙和18g的水进行自发反应，生成74g的Ca(OH)₂，该反应可放出65.2kJ/mol的热量，该反应如下所示：

CaO + H₂O = Ca(OH)₂,ΔH = -65.2kJ/mol，使反应体系的温度升高。这样，催化涂层的水分就被氧化钙脱去，同时由于温度升高和体积膨胀，涂层被加热和挤压，机械强度增加。上述脱水预热过程的反应时间为1小时。

用10目的筛网筛去上述混合物中的氧化钙和氢氧化钙粉末，将得到的催化颗粒置于一管式炉中，在大气气氛中先升温至100^oC，并在此温度恒温30min。然后继续加热至500^oC，恒温热处理5 小时。通过此热处理，催化涂层的一部分甘油粘结剂被燃烧分解，在涂层表面和内部形成具有吸附性的微孔。

净化颗粒的臭氧活化处理：将经过热处理定型的催化颗粒均匀分散在10目的筛网上，然后将筛网放入一个透明的密封舱中。密封舱的体积为30cm×30cm×30cm，舱中安装有一盏波长为185nm的UVD紫外灯，一个循环风扇和一个即读式臭氧检测仪，舱内温度为室温，相对湿度为60– 75%。开启紫外灯后，185nm的紫外线将舱内氧气转变成了臭氧，臭氧检测仪的读数开始上升，当臭氧浓度超过10ppm时,则关闭紫外灯，当臭氧浓度低于5ppm时,则开启紫外灯，如此循环往复，使密封舱内的臭氧浓度基本维持在5–10ppm。

在上述条件下，密封舱内分散在筛网上的催化颗粒与臭氧接触，颗粒的催化涂层表面和微孔均能被臭氧氧化活化，这样催化涂层的表面和微孔产生更多的含氧功能基团，表面的化学环境得到修饰，在净化空气时有更高的吸附和催化性能。实验发现，此臭氧活化处理过程的最佳时间为1–2小时，处理时间过短或过长对净化性能都有不利影响。例如，在臭氧活化时间分别为0、1–2、2–3小时的条件下制得3批大号净化颗粒，将400ml的颗粒分别放入体积为12升的甲醛分解测试舱，测得这3批样品将甲醛浓度从1.0降到0.10mg/m³，即达到90%净化率所需的时间，同时也比较这些样品在累计分解了30mg甲醛后净化速度的衰减，测试结果列于表1中。

表1：不同臭氧活化处理时间下制得颗粒样品对甲醛的净化能力比较。

臭氧活化处理时间/h	达到90%净化率所需时间/min	净化速度的衰减
			0	3.0-4.0	20-35%
1-2	2.0-2.5	10-15%
			2-3	3.3-4.8	25-42%

表2：不同臭氧活化处理浓度下制得颗粒样品对甲醛的净化能力比较。

臭氧活化处理浓度/ppm	达到90%净化率所需时间/min	净化速度的衰减
			5-10	2.0-2.5	10-15%
10-20	3.0-4.5	22-45%
			20-30	4.0-7.0	30-67%

实验同时发现，活化处理时舱内臭氧的浓度不宜超过10ppm，若臭氧浓度过高，催化涂层会被过度氧化而失去部分催化性能。表2列出了在不同臭氧活化处理浓度条件下制得的400ml大号催化颗粒去除甲醛的测试效果（测试条件和表1相同）。因此，臭氧活化处理需要经过优化对比，确定最合适的臭氧浓度和活化处理时间，这样才能制得具有最佳净化效果的催化颗粒。

本发明中大号催化颗粒指的是直径为6–20mm的球状或椭圆状颗粒，其形状和尺寸与园艺陶粒类似，表面均匀美观，能填充在花架、花瓶、花盆、花篮等花器中，配以适当的植物或仿真植物，形成具有观赏价值的花艺绿植盆景，净化颗粒需要的花瓶、花盆、花篮等花器采用镂空通透的设计风格，如图1所示，即花器的四壁是镂空的，以保证空气和催化颗粒的充分接触。同时，在花器内中还设置有镂空的笼子，在笼子和花器四壁之间填充催化颗粒，这样催化颗粒与空气的接触面更多，净化效果更好。笼子内可以放置仿真植物点缀。

在被动式净化中，由于没有风机迫使空气流经净化材料，净化材料与空气的自然接触面就要尽量大一些。因此，本发明中的大号催化颗粒具有独特的优势：因为颗粒大，堆积在花器中后，催化颗粒间的孔隙率高，有利于内部颗粒与空气的接触、及空气在颗粒间的流动。花器四壁的镂空空隙可以根据净化颗粒的大小进行相应的变化，这也有助于更好的使用不同大小的颗粒。

本发明的中号催化颗粒指的是直径为1–5mm的球状或椭圆状颗粒，这类颗粒适合于填装在透气无纺布袋或丝网袋中，与活性炭包类似，放置于桌面、抽屉、柜橱中或房屋角落，起到局部净化空气的作用。而小号催化颗粒指的是直径为0.5–1mm的颗粒，小号颗粒能够粘涂在基材上，形成疏密有致的单层颗粒涂层，在涂层上施加画作后得到具有艺术性和装饰性的挂件摆件。结合图5所示。

净化颗粒使石蕊指示剂变色：选取一定量的活性氧化铝吸水球，氧化铝球的直径约为5mm，颜色为白色。将氧化铝球浸渍在紫色的石蕊水溶液中约30min，取出后自然晾干，氧化铝球因吸收了石蕊，颜色呈紫色。

选取直径为5 – 8mm的净化颗粒，将3体积的净化颗粒与1体积的紫色石蕊/氧化铝球混合均匀，装在一镂空透明的塑料杯中，然后将塑料杯置于甲醛测试舱中。测试舱中有一个循环风扇、以及一卷在甲醛溶液中浸泡过的纱布，纱布在风扇的作用下可持续缓慢地释放甲醛。同时准备一个参照舱，参照舱的尺寸及装置和测试舱相同，但参照舱内只放置了紫色的石蕊/氧化铝球，而无净化颗粒。

启动测试舱和参照舱的风扇，开始计时，24小时后对比测试舱和参照舱的甲醛浓度及石蕊/氧化铝球的颜色。实验发现，测试舱中甲醛的浓度为0.20mg/m³, 石蕊/氧化铝球呈浅粉色；参照舱中甲醛浓度为0.91mg/m³，石蕊/氧化铝球仍旧呈紫色。这说明测试舱的甲醛被净化颗粒催化氧化成了CO₂，CO₂与氧化铝球中的水结合生成弱酸性的H₂CO₃，H₂CO₃使得紫色石蕊指示剂变成浅粉色。而参照舱中由于没有净化颗粒，就没有催化氧化反应发生，因此石蕊仍为紫色。

上述催化氧化及石蕊的变色反应可用来经济地、直观地、大致地判断室内是否含有甲醛及TVOCs等污染物：将装有净化颗粒和石蕊/氧化铝球的镂空透明塑料瓶置于室内，若空气中含有甲醛、TVOCs等气态污染物，净化颗粒会将其催化氧化，氧化产物使石蕊/氧化铝球逐渐由紫色变为粉红色，污染物的浓度越高，则变色的时间越快。

本发明中净化颗粒实际应用场景：

基于大号净化颗粒的花艺盆景：在一个典型的应用中，首先设计制作一个容纳净化颗粒的落地式花瓶，花瓶采用镂空通透的结构，其外壁是镂空的，且花瓶内中心位置加装一个镂空透气笼，以增加花瓶的通透性，花瓶的设计结构示意图见图1。由于大号净化颗粒表面均匀美观，本身就具备一定的观赏性，见图2，因此花瓶尽量设计为开口式或广口式，这样，净化颗粒直接暴露在花瓶口，可供人观赏的同时，花瓶口的颗粒也能直接和空气接触，更好地发挥净化空气的作用。

将大号净化颗粒填入花瓶，并搭配合适的仿真植物，制作得到既能美化装饰房间，又能净化室内空气的花艺盆景。图3展示了一个基于净化颗粒的花艺盆景的实物照片，其中，落地式花瓶的直径约为18cm, 瓶高约为50cm，扣除花瓶内部透气笼的体积，花瓶中共填入了9L的大号净化颗粒，花瓶上部搭配插上了仿真植物，形成一个完整的花艺装饰品。

把图3中的花艺装饰样品放置在30m³的密封空间中进行测试，在用电风扇对着花瓶吹的条件下，其净化甲醛的速度令人满意，测得的甲醛CADR (Clean Air DeliveryRate)值为30.8m³/h，这相当于花瓶只需1小时的时间，就可把甲醛的浓度从1.0降到0.10mg/m³，达到90%的净化率。保守估计，在实际应用中，在一个甲醛中度/重度污染的20m²左右的房间中，如果用电风扇对着以上的花瓶吹，提高室内空气与花瓶净化颗粒的接触机会，则花瓶能在1-3小时内将室内的甲醛浓度降低到安全值。另外，花瓶中净化颗粒用量为9L，这些颗粒对甲醛的累计净化量也很大，初步估算可有效使用2–3年。

除了以上的花瓶容器，大号净化颗粒还可填入花盆、花篮、花筒、花架、绿植墙等花器中，根据净化空间的大小，空气污染程度的大小制成落地式、桌面式、壁挂式、吊挂式等花艺绿植装饰，起到美化环境、净化空气的作用。

基于小号净化颗粒的艺术画作：在一个典型的应用中，筛选颗粒度约为0.7mm的小号净化颗粒，颗粒的圆球相似度大于75%，采用双面胶、压敏胶或液体胶等将小号颗粒粘覆在基材上（如KT板、画板、画布等），形成均匀的单层颗粒涂层。平均每个颗粒，只有小于1/4的颗粒表面通过胶黏剂粘覆在基材表面，而大于3/4的颗粒表面则没有被胶黏剂覆盖，能直接和空气接触，发挥净化作用。同时，单层净化颗粒涂层中，每平方厘米的面积上粘覆的颗粒不少于90个，且颗粒分布均匀，错落有致，具备一定的观赏性，结合图4所示。

将总面积为3m²的上述小号颗粒单层涂层送交第三方检测机构，按照国标《室内空气净化产品净化效果测定方法》（QB/T 2761-2006)，在1.5m³的密封舱内，在甲醛24小时持续缓慢释放的条件下，测得颗粒涂层对甲醛的净化率为84%。

为了提高净化颗粒涂层在室内除甲醛中的可应用性，将颗粒涂层与艺术画作结合起来，制成具有艺术性和空气净化功能的室内装饰挂件摆件。其中，图5展示了两幅基于颗粒涂层的艺术画作，净化颗粒涂层为画中黑色背景部分，可根据背景的颜色搭配合适的画作，画作可挂在客厅、卧室等地方，既提升房间的艺术品味，又提高房间的空气质量。需要指出的是，图5中的画作仅用于说明与净化颗粒涂层结合的艺术效果，该图案并非对本发明的方案有限制作用，其具体的图案可根据需求进行自主创作设计。

当然本发明尚有多种具体的实施方式，在此就不一一列举。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims

1.一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1、将粉状的过渡金属氧化物催化材料与溶解有粘结剂的水溶液按比例混合并搅拌0.5–1.0小时，形成具有粘度和干度的催化浆料；所述过渡金属氧化物催化材料：水：粘结剂的重量比为200-500：100：5-10；

S2、选取颗粒状载体加入到S1形成的浆料中，并充分搅拌混合0.5–1小时至每个颗粒状载体表面都均匀裹涂上一层催化浆料；

S3、将S2中裹有催化浆料的颗粒转移至旋转管式炉中，颗粒在管式炉中的填充率保持在60-80%，然后开启管式炉，使颗粒在室温下往复旋转1–2小时，管式炉转速控制在1~5r/min，使催化涂层呈半湿半干状态；

S4、将经过S3步骤的颗粒均匀分散在干燥的氧化钙粉体中进行混合，氧化钙和颗粒的体积比大于3：1；将混合物装填在容器中压实，同时覆盖填充氧化钙粉体，再次压实使容器中最终填充物的高度为容器总高的70 – 80%，通过重物将氧化钙表面压住，使氧化钙表面承受的压力大于0.2Mpa，使颗粒进行脱水预热过程；

S5、将经过S4脱水预热后的催化颗粒置于管式炉中，在大气气氛中逐渐升温加热，根据不同氧化物催化涂层的热稳定性，在300–600℃内，恒温热处理3–5小时；

S6、将经过S5的催化颗粒放入臭氧活化处理舱中，使催化颗粒暴露在浓度为5–10ppm的臭氧气氛中，暴露时间为1–2小时形成最终所需的空气净化颗粒，按照颗粒大小进行大、中、小颗粒分类；所述S2中颗粒状载体与所述催化浆料的体积比为100:20-100，所述S2中颗粒状载体为陶粒、氧化铝颗粒、黏土颗粒、页岩颗粒或活性炭颗粒，其形状为球状、椭圆状、柱状或不规则颗粒状，且所述颗粒状载体的颗粒度在0.5–20mm。

2.如权利要求1所述的一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，其特征在于：所述S1中过渡金属氧化物为FeO、Fe₂O₃、 CuO、Cu₂O、NiO、MnO₂、TiO₂、Co₂O₃中的一种或一种以上组合。

3.如权利要求1所述的一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，其特征在于：所述S1中所用的粘结剂为水性粘结剂，包括淀粉、甘油、聚苯乙烯磺酸盐或水玻璃，所述过渡金属氧化物催化材料的颗粒度均细于200目。

4.如权利要求1所述的一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，其特征在于：所述S4中脱水预热反应时间维持在0.5–1小时。

5.如权利要求1所述的一种具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法，其特征在于：所述S6中大颗粒的粒径为6–20mm，所述中颗粒的粒径为1–5mm，所述小颗粒的粒径为0.5–1mm。

6.一种如权利要求1-5任一所述的具有观赏价值的空气净化颗粒的制备方法制得的净化颗粒。

7.如权利要求6所述的净化颗粒的应用，其特征在于：所述颗粒直接应用于镂空容器中进行空气净化，或通过填充于网袋进行空气净化，或采用粘结形式应用于画作中进行空气净化。

8.如权利要求6所述的净化颗粒的应用，其特征在于：将净化颗粒和石蕊/氧化铝球混合置于镂空容器内，通过石蕊的变色反应对室内空气中甲醛含量进行快速的检验。