CN111013529A - 一种可循环使用的室内空气净化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可循环使用的室内空气净化材料及其制备方法，所述可循环使用的室内空气净化材料以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有光催化剂。本发明通过将光催化剂负载在蒙脱石的表面，实现了蒙脱石吸附有机污染物，而光催化剂分解这些吸附的有机污染物，解决了吸附法不能分解有机污染物的问题，同时解决了吸附饱和解吸的难题。
Description
技术领域
本发明涉及室内空气净化技术领域，具体涉及一种可循环使用的室内空气净化材料及其制备方法。
背景技术
近年来，我国工业高速发展，城市进程步伐加快，大量污染物的排放，对人体健康构成严重的危害。尤其是现代建筑密闭性越来越好，空气流通差，加上现代装修和家具的使用，室内存在大量的有机污染物。这些有机物的存在轻者导致室内居住的人发生头痛胸闷的症状，重者如甲醛、苯等具有致癌性。室内空气净化最基本的要求是不能产生二次污染。
目前常用的方法是吸附法和光催化法。目前最为常用的是吸附法，使用具有吸附作用的物质如活性炭、分子筛以及某些黏土等吸附剂吸收空气中的有机污染物。光催化法是指利用半导体(主要是二氧化钛TiO2)吸收光源产生电子-空穴对，空穴与吸收在分子表面的水分子生成具有强氧化能力的羟基自由基·OH，电子与氧气分子产生具有强氧化能力的超氧自由基O2 -·。·OH和O2 -·将有机污染物直接分解为二氧化碳和水。光催化反应绿色无毒，不产生二次污染。
但是吸附法和光催化法都存在着不足：1.吸附法不能分解有机污染物，当吸附剂吸附量达到饱和时，就会发生解吸(尤其是温度升高时)从而对空气造成二次污染。2.目前的光催化法最常用的是TiO2和ZnO等半导体，这些半导体只能在紫外光下吸收光源产生电子-空穴对，在太阳光下，光催化作用效果很小。
发明内容
本发明所得目的在于提供一种可循环使用的室内空气净化材料，解决现有物理吸附导致吸附饱和解吸、不能分解有机污染物的问题。
此外，本发明还提供上述室内空气净化材料的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种可循环使用的室内空气净化材料，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有光催化剂。
所述光催化剂通过化学合成法负载于蒙脱石的表面。
本发明所述蒙脱石是一种三层片状结构的黏土矿物，上下两层是硅氧四面体，中间是铝氧八面体；由于其特殊的晶体结构，所以蒙脱石具有极强的吸附性能。
本发明通过将光催化剂负载在蒙脱石的表面，所述光催化剂能够蒙脱石吸附的机污染物进行光催化分解，实现蒙脱石既能吸附有机污染物，又能光催化分解机污染物，解决了吸附法不能分解有机污染物的问题，同时解决了吸附饱和解吸的难题。
进一步地，光催化剂为半导体氧化铜。
所述半导体氧化铜为窄带隙半导体，在太阳光下也能吸收光源产生电子-空穴对，实现在太阳光下也具有光催化作用效果好的优点，其在太阳光下的光催化作用效果明显优于目前的光催化法最常用的是TiO2和ZnO等半导体。
进一步地，光催化剂的负载量为15-25％。
本申请通过将光催化剂的负载量设置为上述能够最大限度提高空气净化效果。
当催化剂的负载量过多，团聚严重，减少了催化剂的比表面积，受光面积减少，降解率降低，催化剂过少，催化时间会延长很多倍。净化空气能力不足。
优选地，光催化剂的负载量为20％
一种可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
1)、将聚乙二醇溶解于蒸馏水中制备聚乙二醇溶液；
2)、将硝酸铜加入聚乙二醇溶液中，搅拌获得蓝色透明溶液；
3)、将蒙脱石悬浮液加入到步骤2)获得的蓝色透明溶液中，继续搅拌直到蒙脱石、Cu2+以及聚乙二醇充分搅拌均匀获得的混合液；
4)、将步骤3)获得的混合液进行水浴加热，持续搅拌，直到混合溶液由淡蓝色完全变为浅咖色；
5)、将步骤4)获得的混合溶液进行抽滤、烘干获得室内空气净化材料。
本发明采用简单的化学合成法，在低温条件下且不添加碱性物质，是一种环境友好型的制备方法。
本发明制备出的CuO呈片状分布于蒙脱石上，接收光源的面积比颗粒状CuO大，所以光催化性能高于其它制备方法得到的颗粒状CuO。
现有制备方法包括：高温焙烧(反应温度需800℃以上，时间10h以上)、热沉积法(反应温度在350℃左右，时间需3h)、氧化-沉积法(需要在氧气氛围下，温度350℃)、光化学法。
现有制备方法反应温度高，反应时间长，从而导致能耗大。或者需要在紫外光下加入大量的碱性物质，能耗大且为碱性条件。
而本方法制备过程，温度为低温且不需要加碱性物质，是一种环境友好型的制备方法。其他方法制备的CuO均为颗粒状，本方法制备的CuO为片状。本发明以PEG400为表面活性剂，在浓度适当的范围内，PEG400分子作为一种软模板，使得CuO以片层状沉积在蒙脱石的表面。PEG400的浓度应控制在合理的范围内，如果浓度过低，它将Cu2+转化为CuO，没有多余的量作为模板；如果浓度过高，形成的层片状CuO多且小，容易团聚。
进一步地，聚乙二醇溶液的浓度为0.1mol/L-1.0mol/L。
进一步地，硝酸铜的加入量为2.81g-4.69g，获得浓度为0.15-0.25mol/L的蓝色透明溶液。
进一步地，在光催化剂的负载量为15-25％的前提下，Cu2+和聚乙二醇的质量比为0.15:1-2.5:1。
进一步地，Cu2+和聚乙二醇的质量比为0.25:1。
进一步地，蒙脱石悬浮液的制备过程为：将钠基膨润土加入蒸馏水中搅拌制成悬浮液，静置一段时间后取上层悬浮液，重复操作多次。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述可循环使用的室内空气净化材料，将光催化剂负载在蒙脱石的表面，所述光催化剂能够蒙脱石吸附的机污染物进行光催化分解，实现蒙脱石既能吸附有机污染物，又能光催化分解机污染物，解决了吸附法不能分解有机污染物的问题，同时解决了吸附饱和解吸的难题。
2、本发明所述可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，用简单的化学合成法，在低温且不添加碱性物质，是一种环境友好型的制备方法。
3、本发明所述可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，制备出的CuO呈片状分布于蒙脱石上，接收光源的面积比颗粒状CuO大，所以光催化性能高于其他制备方法得到的颗粒状CuO。
附图说明
图1为发明的工艺流程图；
图2为性能检测图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-日光灯，2-玻璃仓，3-遮光布，4-气相色谱仪，5-玻璃片，6-排插。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种可循环使用的室内空气净化材料，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有光催化剂，所述光催化剂为半导体氧化铜；所述光催化剂的负载量为20％。
上述循环使用的室内空气净化材料的制备方法如下：
包括以下步骤：
1)、称取一定量的聚乙二醇溶解于蒸馏水中制备聚乙二醇溶液，所述聚乙二醇溶液的浓度为0.1mol/L-1.0mol/L；
2)、将3.76g硝酸铜加入含3.2g聚乙二醇的100ml水溶液中，即0.8mol/L的聚乙二醇水溶液，搅拌获得浓度为0.2mol/L的Cu2+水溶液的蓝色透明溶液；
3)、将蒙脱石悬浮液加入到步骤2)获得的蓝色透明溶液中，继续搅拌直到蒙脱石、Cu2+以及聚乙二醇充分搅拌均匀获得的混合液，所述蒙脱石、Cu2+以及聚乙二醇的比例为0.25:1，所述蒙脱石悬浮液的制备过程为：将500g钠基膨润土加入700mL蒸馏水中搅拌制成悬浮液，静止8小时，然后取上层悬浮液，去除底部黑灰色杂质，重复操作3次；
4)、将步骤3)获得的混合液进行水浴加热，升温至70℃保持温度不变，使用集热式恒温加热磁力搅拌器持续搅拌5小时，直到混合溶液由淡蓝色完全变为浅咖色；
5)、将步骤4)获得的混合溶液使用酒精和蒸馏水洗涤并抽滤、50℃的烘箱中烘8小时获得室内空气净化材料。
实施例2：
一种可循环使用的室内空气净化材料，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有光催化剂，所述光催化剂为半导体氧化铜；所述光催化剂的负载量为15％。
与实施例1中制备方法的区别在于：
硝酸铜的加入量为2.81g，聚乙二醇溶液的体积为含3.2g聚乙二醇的100ml水溶液中，即0.8mol/L的聚乙二醇水溶液，制备的蓝色透明溶液的浓度为0.15mol/L的Cu2+水溶液，100ml蒙脱石悬浮溶液中蒙脱石含量约为8g，Cu2+以及聚乙二醇的比例为1.5:8。
实施例3：
一种可循环使用的室内空气净化材料，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有光催化剂，所述光催化剂为半导体氧化铜；所述光催化剂的负载量为25％。
与实施例1中制备方法的区别在于：
硝酸铜的加入量为4.69g，聚乙二醇溶液的体积为含3.2g聚乙二醇的100ml水溶液中，即0.8mol/L的聚乙二醇水溶液，制备的蓝色透明溶液的浓度为0.25mol/L的Cu2+水溶液，100ml蒙脱石悬浮溶液中蒙脱石含量约为8g，Cu2+以及聚乙二醇的比例为2.5:8。
对比例1：
一种室内空气净化材料，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有氧化锌ZnO，负载量与实施例1相同。
氧化锌多为颗粒状负载于蒙脱石表面，接受光照的面积比层状氧化铜小，因而光催化性能低于相同负载量的氧化铜。
对比例2：
一种室内空气净化材料，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有二氧化钛TiO2，负载量与实施例1相同。
2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，二氧化钛在2B类致癌物清单中。蒙脱石负载氧化铜属于环境友好型材料。
对比例3：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
半导体氧化铜的负载量为30％。
对比例4：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
半导体氧化铜的负载量为10％
对比例5：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
制备方法采用高温焙烧或热沉积法或氧化-沉积法或光化学法。
制备的CuO均为颗粒状。
对比例6：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
硝酸铜的加入量为3.19g，聚乙二醇溶液的体积为100ml，制备的蓝色透明溶液的浓度为0.17mol/L，100ml蒙脱石悬浮溶液中蒙脱石含量约为8g，Cu2+以及聚乙二醇的比例为1.7:8。
对比例7：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
硝酸铜的加入量为4.31g，聚乙二醇溶液的体积为100ml，制备的蓝色透明溶液的浓度为0.23mol/L，00ml蒙脱石悬浮溶液中蒙脱石含量约为8g，Cu2+以及聚乙二醇的比例为2.3:8。
将实施例1-实施例3，以及对比例1-对比例7制备的净化材料进行相同的净化试验，具体如下：
选取甲苯为空气中有机污染物的代表，进行性能测试，如图2所示(图2中附图标记1为日光灯，2为玻璃仓，3为遮光布，4为气相色谱仪，5为玻璃片，6为排插)。在玻璃仓中装置40W的日光灯，称取0.5g干燥样品平铺于玻璃片上。并固定好气相色谱仪，气相色谱仪的读数表置于玻璃仓外，便于读数。然后使用玻璃胶对玻璃仓进行密封，用针筒抽取0.5μL甲苯注入玻璃仓。开启紫外灯，并用遮光布盖住玻璃仓。然后每隔20min测一次甲苯和CO2的浓度。
甲醛的降解率的计算过程如下：
η＝(C0-Ct)/C0*100％
其中，C0是初始浓度；
Ct是t min后的浓度；
η是降解率。
试验结果如表1所示：
表1
| 甲苯的浓度变化过程 | 甲苯的降解率 | |
| 实施例1 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率87％ |
| 实施例2 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率54％ |
| 实施例3 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率70％ |
| 对比例1 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率81％ |
| 对比例2 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率78％ |
| 对比例3 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率57％ |
| 对比例4 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率48％ |
| 对比例5 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率52％ |
| 对比例6 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率72％ |
| 对比例7 | 甲苯的浓度减小 | 甲苯的降解率80％ |
由表1的数据可知：
1、蒙脱石为最佳载体，氧化铜为在阳光下光催化效果最好的光催化剂。
2、当氧化铜的负载量为20％，净化效果最佳。
3、当硝酸铜的加入量为3.76g，聚乙二醇溶液的体积为100ml，制备的蓝色透明溶液的浓度为0.2mol/L，100ml蒙脱石悬浮溶液中蒙脱石含量约为8g，Cu2+以及聚乙二醇的比例为0.25:1，净化效果最佳。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可循环使用的室内空气净化材料，其特征在于，以蒙脱石为载体，所述蒙脱石的表面负载有光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种可循环使用的室内空气净化材料，其特征在于，所述光催化剂为半导体氧化铜。
3.根据权利要求1所述的一种可循环使用的室内空气净化材料，其特征在于，所述光催化剂的负载量为15-25％。
4.根据权利要求3所述的一种可循环使用的室内空气净化材料，其特征在于，所述光催化剂的负载量为20％。
5.一种如权利要求1-4任一项所述可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、将聚乙二醇溶解于蒸馏水中制备聚乙二醇溶液；
2)、将硝酸铜加入聚乙二醇溶液中，搅拌获得蓝色透明溶液；
3)、将蒙脱石悬浮液加入到步骤2)获得的蓝色透明溶液中，继续搅拌直到蒙脱石、Cu2+以及聚乙二醇充分搅拌均匀获得的混合液；
4)、将步骤3)获得的混合液进行水浴加热，持续搅拌，直到混合溶液由淡蓝色完全变为浅咖色；
5)、将步骤4)获得的混合溶液进行抽滤、烘干获得室内空气净化材料。
6.根据权利要求5所述的可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇溶液的浓度为0.1mol/L-1.0mol/L。
7.根据权利要求5所述的可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸铜的加入量为2.81g-4.69g，获得浓度为0.15-0.25mol/L的蓝色透明溶液。
8.根据权利要求5所述的可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，其特征在于，在光催化剂的负载量为15-25％的前提下，Cu2+和聚乙二醇的质量比为0.15:1-2.5:1。
9.根据权利要求8所述的可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，其特征在于，Cu2+和聚乙二醇的质量比为0.25:1。
10.根据权利要求5所述的可循环使用的室内空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述蒙脱石悬浮液的制备过程为：将钠基膨润土加入蒸馏水中搅拌制成悬浮液，静置一段时间后取上层悬浮液，重复操作多次。
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