CN110449117B - 一种非碳的复合吸附材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种非碳的复合吸附材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于空气净化领域，公开了一种非碳的复合吸附材料及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；将水溶性胶黏剂溶液加入第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；将第二产物采用挤条方式成型为柱状颗粒，在空气气氛中经过高温热处理，得到非碳的复合吸附材料。本发明提供的制备方法实施步骤简单，操作方便，所制得的复合吸附材料产品价格低廉且吸附净化性能优异，具有很好的市场应用价值和推广前景。

Description

一种非碳的复合吸附材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于空气净化领域，特别涉及一种非碳的复合吸附材料及其制备方法和应用。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)是指常温下饱和蒸汽压大于133.32Pa、常压下沸点在50-260℃以下的有机化合物，也是常温常压下任何能挥发的有机固体或者液体。VOCs按其化学结构，可以进一步分为：烷类、芳烃类、酯类、醛类和其他等。室内空气中VOCs浓度过高时很容易引起急性中毒，轻者会出现头痛、头晕、咳嗽、恶心、呕吐等症状；重者会出现肝中毒甚至很快昏迷，有的还可能有生命危险。所以国家对室内空气中VOCs的含量进行了严格限制，如规定室内甲醛含量必须低于0.1mg/m3，甲苯含量必须低于0.20mg/m3。
在室温条件下采用吸附法是净化室内VOCs气体的主要方法之一。其中活性炭(如椰壳炭等)因为价格便宜和来源广泛，是最常用的吸附材料。当活性炭吸附达到饱和后，为了重复使用，一般会采用高温热处理的方式进行再生。但考虑到活性炭其本质为碳材料，属于可燃物质，在空气气氛中高温热处理再生时，一方面会存在安全隐患，另一方面部分碳材料会转变为CO2/CO气体造成质量损耗。所以寻找一种耐热稳定性高、饱和吸附容量大的新型非碳的VOCs吸附净化材料就显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种非碳的复合吸附材料的制备方法。
本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的非碳的复合吸附材料。
本发明的再一目的在于提供一种上述非碳的复合吸附材料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种非碳的复合吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；
(2)将水溶性胶黏剂溶液加入步骤(1)所得第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；
(3)将步骤(2)所得第二产物采用挤条方式成型为柱状颗粒，在空气气氛中经过高温热处理，得到非碳的复合吸附材料。
步骤(1)中所述固体锰氧化物为购买的二氧化锰商品或自制的锰氧化物产品；所述固体胶黏剂为甲基纤维素；所述固体造孔剂为碱式碳酸镁、碳酸镁、碳酸钙和/或碳酸氢铵。
所述自制的锰氧化物产品按照以下方法制备得到：将0.20mol/L的K2MnO4溶液和0.15mol/L的MnSO4溶液等体积混合，室温下搅拌6h后，将所得固体产物经过滤后在60℃干燥12h，得到自制的锰氧化物产品。
步骤(2)中所述水溶性胶黏剂为铝溶胶和/或硅溶胶；所述水溶性胶黏剂溶液的质量百分含量为20～40wt.％。
步骤(1)和步骤(2)中的原料以质量百分含量计，固体锰氧化物、固体胶黏剂、固体造孔剂、水溶性胶黏剂和水的投料比为(2％～15％)：(3％～10％)：(15％～25％)：(25％～50％)：(10％～45％)。
步骤(3)中所述高温热处理的温度为300～450℃，热处理时间为5小时。
一种由上述的制备方法制备得到的非碳的复合吸附材料。
上述的非碳的复合吸附材料在挥发性有机污染物净化中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
采用本发明方法制备得到的复合吸附材料产品主要由MnO2、MgO和SiO2等金属氧化物组成，不再含有碳组份，所以具有很好的耐热稳定性：产品在300℃多次高温热处理再生后，没有明显的质量损耗，且多次再生重复使用时对甲苯等VOCs气体的饱和吸附容量也没有明显降低。同时采用本发明方法制备得到的复合吸附材料产品，表面粗糙且有很多微米级孔洞结构，因此表现出优越的VOCs吸附净化能力：对甲醛的饱和吸附容量为0.32-0.38g/g，对甲苯的饱和吸附容量为0.31-0.44g/g，远优于商品活性炭颗粒的饱和吸附容量(0.06-0.11g/g)。本发明提供的制备方法实施步骤简单，操作方便，所制得的复合吸附材料产品价格低廉且吸附净化性能优异，具有很好的市场应用价值和推广前景。
附图说明
图1为实施例1所得产品1的外观实物图。
图2为由扫描电子显微镜(SEM)得到的产品1的微观表面形貌图。
图3为由能谱仪(EDS)得到的产品1的表面元素分析结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；然后将30wt.％浓度的水溶性胶黏剂溶液加入上述第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；最后将第二产物通过挤条方式成型为柱状颗粒，再经过400℃高温热处理5h，得到非碳的复合吸附材料，记为产品1。本实施例中固体锰氧化物为二氧化锰商品，固体胶黏剂为甲基纤维素，固体造孔剂为碱式碳酸镁，水溶性胶黏剂为硅溶胶；而且以质量百分含量计，固体锰氧化物、固体胶黏剂、固体造孔剂、水溶性胶黏剂和水的投料比为5％：5％：20％：44％：26％。把该实施例所得产品1用于VOCs静态饱和吸附容量的测定，结果见表1。
实施例2
将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；然后将40wt.％浓度的水溶性胶黏剂溶液加入上述第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；最后将第二产物通过挤条方式成型为柱状颗粒，再经过450℃高温热处理5h，得到非碳的复合吸附材料，记为产品2。本实施例中固体锰氧化物为自制二氧化锰样品，固体胶黏剂为甲基纤维素，固体造孔剂为碳酸镁，水溶性胶黏剂为铝溶胶；而且以质量百分含量计，固体锰氧化物、固体胶黏剂、固体造孔剂、水溶性胶黏剂和水的投料比为12％：3％：16％：39％：30％。把该实施例所得产品2用于VOCs静态饱和吸附容量的测定，结果见表1。
实施例3
将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；然后将20wt.％浓度的水溶性胶黏剂溶液加入上述第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；最后将第二产物通过挤条方式成型为柱状颗粒，再经过300℃高温热处理5h，得到非碳的复合吸附材料，记为产品3。本实施例中固体锰氧化物为自制二氧化锰样品，固体胶黏剂为甲基纤维素，固体造孔剂为碳酸氢铵，水溶性胶黏剂为硅溶胶；而且以质量百分含量计，固体锰氧化物、固体胶黏剂、固体造孔剂、水溶性胶黏剂和水的投料比为12％：10％：18％：48％：12％。把该实施例所得产品3用于VOCs静态饱和吸附容量的测定，结果见表1。
实施例4
将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；然后将40wt.％浓度的水溶性胶黏剂溶液加入上述第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；最后将第二产物通过挤条方式成型为柱状颗粒，再经过450℃高温热处理5h，得到非碳的复合吸附材料，记为产品4。本实施例中固体锰氧化物为二氧化锰商品，固体胶黏剂为甲基纤维素，固体造孔剂为碱式碳酸镁，水溶性胶黏剂为硅溶胶；而且以质量百分含量计，固体锰氧化物、固体胶黏剂、固体造孔剂、水溶性胶黏剂和水的投料比为2％：6％：22％：27％：43％。把该实施例所得产品4用于VOCs静态饱和吸附容量的测定，结果见表1。
对比例1
选择一种商品活性炭颗粒(绿之源牌强力型活性炭)，在300℃热处理后，进行VOCs静态饱和吸附容量的测定，结果见表1。
对比例2
选择另一种商品活性炭颗粒(山山牌活性炭)，在300℃热处理后，进行VOCs静态饱和吸附容量的测定，结果见表1。
由图1可见，产品1为直径约2mm，长度约5mm的圆柱状颗粒，外观呈现均匀的棕灰色，且具有很好的机械强度。进一步由产品1的SEM表面微观形貌图(图2)可见，产品表面凸凹起伏，较为粗糙，且形成了很多微米级的孔洞结构。这一方面可以增大产品颗粒的吸附表面，另一方面也更利于VOCs等污染物气体进入产品颗粒内部，从而有效提高产品颗粒的吸附净化效果。由产品1的EDS元素分析结果图(图3)可见，在产品颗粒中含有明显的Mn、Mg、Si和O元素，正好对应原料中的二氧化锰、碱式碳酸镁和硅溶胶，表明这些原料在高温热处理后已经转变为MnO2、MgO和SiO2等氧化物；同时在产品中没有检测到C元素，说明在空气气氛高温热处理时样品中含碳物质都以CO2的形式脱除了，所以最终得到的产品颗粒非碳的吸附材料，主要由热稳定性好的金属氧化物组成。对产品2、产品3和产品4重复上述测试，均得到与产品1类似的测试结果，在此不再赘述。
对产品1-4和对比例1-2所得产物在室温和常压条件进行VOCs静态饱和吸附容量的测试，以甲醛和甲苯作为吸附探针分子，其结果见表1。饱和吸附容量的计算公式为：
饱和吸附容量＝(吸附后产品的质量–吸附前产品的质量)/吸附前产品的质量
由表1可见，在室温和常压条件下，商品活性炭颗粒对甲醛和甲苯的饱和吸附容量只有0.06-0.11g/g。而采用本发明方法制备的产品1-4对甲醛的饱和吸附容量为0.32-0.38g/g，对甲苯的饱和吸附容量为0.31-0.44g/g，大大优于商品活性炭颗粒的吸附效果，表现出优越的VOCs吸附净化能力。
对产品1还进行了多次再生重复使用对甲苯静态饱和吸附容量的评价测试，结果见表2。即产品在每次饱和吸附容量测试后，于300℃进行再生热处理，然后再次用于饱和吸附容量测试。由表2可见，产品1在三次再生重复使用时，其甲苯饱和吸附容量没有明显降低，表现出优越的多次再生重复使用性能。而且每次再生后，产品1也没有明显的质量损耗，这可能与产品颗粒主要由热稳定性好的MnO2、MgO和SiO2等非碳的金属氧化物组成有关。对产品2-4进行该测试，也得到与产品1类似的测试结果，在此不再赘述。
表1室温和常压条件下样品对甲醛和甲苯的静态饱和吸附容量结果
Figure BDA0002080231440000071
表2样品多次再生重复使用对甲苯静态饱和吸附容量的影响
Figure BDA0002080231440000072
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非碳的复合吸附材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将固体锰氧化物、固体胶黏剂和固体造孔剂通过研磨混合均匀，得到第一产物；
(2)将水溶性胶黏剂溶液加入步骤(1)所得第一产物中，搅拌成均匀的料浆，然后补加水调整料浆粘稠度，得到第二产物；
步骤(2)中所述水溶性胶黏剂为铝溶胶和/或硅溶胶；所述水溶性胶黏剂溶液的质量百分含量为20～40wt.％；
(3)将步骤(2)所得第二产物采用挤条方式成型为柱状颗粒，在空气气氛中经过高温热处理，得到非碳的复合吸附材料；
步骤(1)和步骤(2)中的原料以质量百分含量计，固体锰氧化物、固体胶黏剂、固体造孔剂、水溶性胶黏剂和水的投料比为(2％～15％)：(3％～10％)：(15％～25％)：(25％～50％)：(10％～45％)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述固体锰氧化物为购买的二氧化锰商品或自制的锰氧化物产品；所述固体胶黏剂为甲基纤维素；所述固体造孔剂为碱式碳酸镁、碳酸镁、碳酸钙和/或碳酸氢铵。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述自制的锰氧化物产品按照以下方法制备得到：将0.20mol/L的K2MnO4溶液和0.15mol/L的MnSO4溶液等体积混合，室温下搅拌6h后，将所得固体产物经过滤后在60℃干燥12h，得到自制的锰氧化物产品。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述高温热处理的温度为300～450℃，热处理时间为5小时。
5.一种由权利要求1-4任一项所述的制备方法制备得到的非碳的复合吸附材料。
6.根据权利要求5所述的非碳的复合吸附材料在挥发性有机污染物净化中的应用。
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