CN111569864A - 一种催化净化甲醛的活性炭复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化净化甲醛的活性炭复合材料及制备方法，步骤如下：将高锰酸盐和铈盐按照一定的质量比例(mMn：mCe＝1～10)在搅拌作用下加入到去离子水中混合成溶液；然后加入一定量的活性炭，且活性炭和高锰酸盐的质量比为1～10，继续搅拌至高锰酸盐和铈盐浸渍到活性炭孔道中；在搅拌作用下，加入草酸盐，60～120℃下水热反应4～16h；反应结束后，过滤得到固体产物，然后在70℃‑105℃的烘箱中干燥2～10h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。本发明采用简单的工艺步骤，只需要加热即可实现制备复合材料，有效催化净化甲醛，保证空气质量。
Description
技术领域
本发明属于空气净化处理技术领域，尤其涉及一种催化净化甲醛的活性炭复合材料及制备方法。
背景技术
近些年来，随着人们对新房购买需求，室内装修变得越来越普遍，但是一些家具以及墙漆中会挥发甲醛，据报道，其挥发周期可长达3-5年，甚至更久。甲醛(HCHO)又被称为蚁醛，长期接触甲醛含量过多的环境不仅会对眼睛带来严重的刺激，还会刺激呼吸系统等导致慢性中毒，白血病、鼻咽癌等症状。2004年，国际癌症组织把甲醛定性为一级致癌物。因此，如何控制室内甲醛含量超标已经成为亟待解决的难题。
目前，市面上主流的去除甲醛手段主要是利用多孔材料将甲醛吸附去除，比如采用活性炭、活性氧化铝等具有强大比表面积的吸附材料。但是通过吸附的形式存在很大的问题，就是材料饱和时，便无法继续吸附甲醛。最近几年，采用催化材料催化氧化甲醛已经逐渐被研究人员所关注。目前，将过渡金属氧化物负载在活性炭表面来催化氧化甲醛技术具有很大的优势。除贵金属外，锰氧化物对甲醛催化具有很好的性能，通过对锰氧化物的修饰和改性来提升其催化性能，进而实现锰氧化物在室温下去除甲醛成为一种可行的思路。本发明提供了一种制备方法简单、条件温和、可室温催化甲醛的铈掺杂锰氧化物/活性炭复合材料。该复合材料以价格低廉、商业化的活性炭为载体，采用原位生长法负载铈掺杂锰氧化物，首先在活性炭孔中浸渍前驱体锰盐和铈盐，往其中加入草酸盐，加热进行一定时间的水热反应，最后将沉淀物烘干得到催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种催化净化甲醛的活性炭复合材料及制备方法，以解决背景技术的问题。
为实现上述目的，本发明的一种催化净化甲醛的活性炭复合材料及制备方法的具体技术方案如下：
1.将高锰酸盐和铈盐按照一定的质量比例(mMn：mCe＝1～10)在搅拌作用下加入到去离子水中混合成溶液；
2.然后加入一定量的活性炭(活性炭和高锰酸盐的质量比为1～10)，继续搅拌至高锰酸盐和铈盐浸渍到活性炭孔道中；
3.在搅拌作用下，加入草酸盐，60～120℃下水热反应4～16h；反应结束后，过滤得到固体产物，然后在70℃-105℃的烘箱中干燥2～10h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
优选的，活性炭为椰壳、煤质或木质颗粒状活性炭中的至少一种；
优选的，铈盐为醋酸铈、硝酸铈、硫酸铈、氯化铈中的至少一种；
优选的，高锰酸盐为高锰酸钾、高锰酸钠中的至少一种；
优选的，草酸盐为草酸钠、草酸钾、草酸铵和草酸铁中的至少一种。
其中，最优的方案为：采用高锰酸盐和铈盐的质量比为mMn：mCe＝4～6，活性炭和高锰酸盐的质量比为5～6，草酸盐和高锰酸盐的质量比为1～2，反应温度为80～100℃，反应时间为6～8h，烘干温度为80～90℃，干燥时间为5～6h。
相比较现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
1.本发明制备工艺，采用的工艺步骤简单，没有复杂的工艺步骤，仅仅使用高锰酸盐、铈盐和草酸盐在加热的情况下发生氧化还原反应，制成的复合材料。
2.制得的复合材料，可高效持续地将室内的甲醛完全分解，且不会产生中间产物造成二次污染。
3.由于本发明工艺只需要加热反应，不需要高温煅烧，因此，可用于空气净化领域的扩大生产。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合下列实施例，对本发明的理解。
本发明制备的室温催化甲醛的铈掺杂锰氧化物_活性炭复合材料，可高效持续地将室内的甲醛完全分解且不会产生中间产物造成二次污染；并且制备工艺简单，只需要加热反应，不需要高温煅烧，可用于空气净化领域的放大生产。
其制备方法原理是：
该复合材料以活性炭为载体，然后，在其表面原位生长铈掺杂的锰氧化物，该颗粒在反应过程中部分进入活性炭介孔和大孔的孔道内，多余的颗粒负载在活性炭表面；
其中，活性炭载体具有强大的表面积，在1500-2000m3/g之间，为纳米催化剂的均匀分散提供了一个优异的负载空间，通过物理吸附将甲醛吸附到孔道中，为催化反应提供了有效的接触面积，促进了催化反应的高效进行；
本发明制备的铈掺杂锰氧化物_活性炭复合材料，其中掺杂元素铈不直接参与催化氧化甲醛的反应，但是，其具有很强的储氧能力，反应中需要的活性氧物种可优先由铈元素表面产生，从而参与整个催化反应过程，提高了锰氧化物催化氧化甲醛反应的速率。
本发明主要创新点在于方法工艺，其中，工艺步骤简单，没有复杂的工艺步骤，仅仅使用高锰酸盐、铈盐和草酸盐在加热的情况下发生氧化还原反应，得到的固体产物即为铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料，该方法操作简单，不需要高温煅烧即可，实现低成本制造，减少制备工艺步骤。化学反应式如下：MnO4 ++3C2O4 2-+Ce3+→CO3 2-+CeO2+MnOx+5CO2。
实验测试方法如下：
取0.3g上述制得的纳米锰铈氧化物/活性炭复合材料置于直径为5mm的金属管内石英棉上进行催化分解活性评估，金属管的底部和甲醛发生器相连，顶部与红外光声谱仪相连。
将压缩空气鼓入甲醛载带罐中，空气和甲醛混合得到甲醛浓度为100ppm的空气，含甲醛的空气从底部进入装有催化剂的金属管中，然后从顶部出来进入到红外光声谱仪中检测甲醛浓度。
实施例1
将0.2g高锰酸钾和0.05g硝酸铈溶解到50mL去离子水中，然后边搅拌边加入1g椰壳活性炭，浸渍30分钟后，加入0.3g草酸铵，80℃下搅拌6h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
实施例2
将0.2g高锰酸钾溶解到50mL去离子水中，然后边搅拌边加入1g椰壳活性炭，浸渍30分钟后，加入0.3g草酸铵，80℃下搅拌6h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗，然后在80℃的烘箱中干燥5h，没有得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
实施例3
将0.2g高锰酸钾和0.1g硝酸铈溶解到50mL去离子水中，然后边搅拌边加入1g椰壳活性炭，浸渍30分钟后，加入0.3g草酸铵，80℃下搅拌6h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
实施例4
将2g高锰酸钾和0.5g硝酸铈溶解到100mL去离子水中，然后边搅拌边加入10g椰壳活性炭，浸渍30分钟后，加入3g草酸铵，80℃下搅拌6h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
实施例5
将20g高锰酸钾和5g硝酸铈溶解到200mL去离子水中，然后边搅拌边加入100g椰壳活性炭，浸渍30分钟后，加入30g草酸铵，80℃下搅拌6h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
实施例6
将200g高锰酸钾和50g硝酸铈溶解到1000mL去离子水中，然后边搅拌边加入1000g椰壳活性炭，浸渍30分钟后，加入300g草酸铵，80℃下搅拌6h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到铈掺杂的锰氧化物/活性炭复合材料。
测试结果如下：
| 样品 | 原始甲醛浓度 | 100min后甲醛浓度 | 甲醛转化率 |
| 实施例1 | 100ppm | 6ppm | 94％ |
| 实施例2 | 100ppm | 30ppm | 70％ |
| 实施例3 | 100ppm | 15ppm | 85％ |
| 实施例4 | 100ppm | 7ppm | 93％ |
| 实施例5 | 100ppm | 8ppm | 92％ |
| 实施例6 | 100ppm | 10ppm | 90％ |
由实验数据可见，实施例1和实施例2对比可知：铈离子可促进锰氧化物捕获氧的能力，可提高甲醛转化率。
实施例1和实施例3对比可知，铈盐的加入量对催化剂的性能会产生影响，当高锰酸盐和铈盐的质量比为mMn：mCe＝4～6时，其甲醛转化率最高。另外，实施例4，5和6中，当放大量生产时，甲醛转化率会有微弱的下降，但是，仍然具有较高的甲醛转化率，可以满足实际生产的需要。
测试结果：
测试时间长达100min，仍可将甲醛浓度降到10ppm以下，其甲醛的转化率维持在90％以上。由此可知，本发明的制备工艺步骤简单，操作方便，只需要加热参与氧化还原反应得出产物即可，不会产生二次污染物，不需要高温煅烧，就能简单制备成高效净化甲醛的复合材料，节约成本，可用于空气净化领域的大规模生产。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (11)
1.一种催化净化甲醛的活性炭复合材料，其特征在于，该活性炭复合材料可由下述方法制备获得：
以去离子水为溶剂，向其中加入质量比mMn：mCe＝1～10的高锰酸盐和铈盐混合成溶液，同时再加入与高锰酸盐的质量比为1～10的活性炭，搅拌至高锰酸盐和铈盐浸渍到活性炭孔道中，然后再向上述溶液中加入草酸盐，经过加热反应、过滤、干燥，得到催化净化甲醛的活性炭复合材料该产物。
2.一种催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
溶解：高锰酸盐和铈盐质量比mMn：mCe＝1～10与去离子水一起，搅拌混合成溶液；
浸渍：然后在溶液中再加入一定量的活性炭，且活性炭和高锰酸盐的质量比为1～10，继续搅拌至高锰酸盐和铈盐浸渍到活性炭孔道中；
加热反应：在搅拌作用下，加入草酸盐，氧化还原反应；
过滤：反应结束过滤得到产物；
干燥：对过滤后的产物进行干燥，得到催化净化甲醛的活性炭复合材料该产物。
3.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，采用高锰酸盐和铈盐的质量比为mMn：mCe＝4～6，活性炭和高锰酸盐的质量比为5～6。
4.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，加热反应温度为60～120℃，反应时间为4～16h。
5.根据权利要求4所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，加热反应温度为80～100℃，反应时间为6～8h。
6.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，烘干温度为70℃-105℃，烘箱中干燥2～10h。
7.根据权利要求6所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，烘干温度为80～90℃，烘箱中干燥5～6h。
8.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述活性炭为椰壳、煤质或木质颗粒状活性炭中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述铈盐为醋酸铈、硝酸铈、硫酸铈、氯化铈中的至少一种。
10.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述高锰酸盐为高锰酸钾、高锰酸钠中的至少一种。
11.根据权利要求2所述的催化净化甲醛的活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述草酸盐为草酸钠、草酸钾、草酸铵和草酸铁中的至少一种。
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