CN111821774A - 一种石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法及得到的过滤网 - Google Patents

一种石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法及得到的过滤网 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种石墨烯香烟烟气过滤网，所述过滤网以蜂窝状的聚丙烯为基材，在基材上负载氧化石墨烯、活性炭和镍金属有机骨架复合材料。香烟的烟气在经过过滤网时，活性炭能够对有害气体进行吸附，具有多孔的石墨烯和具有较大比表面积的镍金属有机骨架材料也能够吸附大量的有害气体、焦油及重金属，而镍金属有机骨架材料还能够通过催化分解其中的有害物质，一方面提高过滤效率，另一方面延长使用周期。本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网通过物理吸附和化学催化分解作用，能够有效降低香烟烟气中的有害物质的含量，其中焦油的含量降低85％，苯并芘含量下降45.45％，铅的含量降低74.1％，砷的含量降低50％，镉的含量降低50％。

Description

一种石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法及得到的过滤网
技术领域
本发明属于香烟过滤嘴减害降焦技术领域，具体涉及一种石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法及得到的过滤网。
背景技术
香烟产生的烟雾中有4000多种烟草燃烧所产生的物质，其中多是有害的。香烟的主要有害成分为焦油，重金属，苯并芘等。焦油是一种致肺癌，气管炎等疾病，摧残人的身体健康乃至生命。国内有学者进行过相关的研究，发现一支香烟的烟气中，最容易被吸收的重金属是镉，其次是铅，一支烟大概有46.4％的镉和26.4％的铅会进入肺部，危害人体健康。
为了降低香烟烟气中的有害物质，现有技术在香烟在设计中设置过滤嘴。现有的香烟过滤嘴是由纤维层卷成柱状作为滤嘴，为了提升过滤的效果，还有采用在过滤嘴中添加活性炭的方法，但是，其过滤效果有限，对有害气体的吸附效果并不理想。现有技术中还有采用硅藻土对香烟中的有害气体进行吸附的方法，但是这样的材料，一方面吸附效果并不理想，另一方面，对香烟的口感有一定的影响。
发明内容
为了提升对香烟烟气中有害物质的过滤效果，本发明提供一种具有蜂窝结构的的用于过滤香烟烟气中有害物质的石墨烯过滤网，本发明提供的石墨烯过滤网能够使焦油的含量降低85％，苯并芘含量下降45.45％，铅的含量降低74.1％，砷的含量降低50％，镉的含量降低50％，且不影响香烟的口感。
本发明的目的是提供一种石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法。
本发明的另一目的是提供上述制备方法得到的石墨烯过滤网。
本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，包括以下步骤：
(1)取氧化石墨烯分散于水中，形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中加入氯化钙和碳酸钠，混合反应，然后加入乙醇、氨水和乙二胺，在90-100℃反应5-6h，然后加入盐酸，过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯；
(2)取氢氧化钠水溶液，加入对苯二甲酸，搅拌均匀，然后加入镍离子盐溶液，在50-100℃反应4-5h，过滤，干燥，得到镍金属有机骨架溶液；
(3)取活性炭、步骤(1)得到的多孔石墨烯、步骤(2)得到的镍金属有机骨架溶液，混合，搅拌均匀，得到混合溶液；
(4)取蜂窝状的聚丙烯基材，放置于步骤(3)得到的混合溶液中，浸泡2-3天，取出基材，静置30-60min，烘干，得到所述石墨烯香烟烟气过滤网。
本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网以蜂窝状的聚丙烯为基材，在基材上负载多孔石墨烯/活性炭/镍金属有机骨架复合材料，多孔石墨烯通过模板法制备得到，具有较高的空隙率和较大的比表面积，镍金属有机骨架材料也具有较大的比表面积，活性炭能够进入到多孔石墨烯的孔隙中，也能够负载于镍金属有机骨架材料中，多孔石墨烯与镍金属有机骨架材料也能够相互融合，得到的复合材料具有较高的稳定性。香烟的烟气在经过过滤网时，活性炭能够对有害气体进行吸附，具有多孔的石墨烯和具有较大比表面积的镍金属有机骨架材料也能够吸附大量的焦油和其他有害物质、重金属等，而镍金属有机骨架材料还能够通过催化分解其中的有害物质，一方面提高过滤效率，另一方面延长使用周期。
本发明提供的过滤网能够使香烟烟气中焦油的含量降低85％，苯并芘含量下降45.45％，铅的含量降低74.1％，砷的含量降低50％，镉的含量降低50％，且不影响香烟的口感，具有广阔的应用前景。
优选地，步骤(1)中，所述氧化石墨烯与水的重量比为1:10-20。
优选地，步骤(1)中，所述氯化钙与氧化石墨烯的重量比为2-5:1，所述碳酸钠与氧化石墨烯的重量比为1:2-5。
优选地，步骤(1)中，所述乙醇与氧化石墨烯的重量比为1:3-5，所述氨水与氧化石墨烯的重量比为1:5-10，所述乙二胺与氧化石墨烯的重量比为1:3-5。
优选地，步骤(1)中，所述盐酸的质量分数为10-15％，所述盐酸与氧化石墨烯的重量比为50-100:1。
本发明步骤(1)制备得到多孔石墨烯，增加石墨烯的表面积，能够有效提高烟气与多孔石墨烯的接触面积，提高烟气中有害物质的过滤效率。
优选地，步骤(2)中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为2-5mol/L。
优选地，步骤(2)中，所述对苯二甲酸与氢氧化钠的摩尔比为2:1，所述镍离子盐与对苯二甲酸的摩尔比为1:1。
优选地，步骤(3)中，所述活性炭：多孔石墨烯：镍金属有机骨架溶液的质量比为0.5-1:1:1。
优选地，步骤(4)中，所述烘干温度为30-45℃，烘干时间为24-36h。
本发明通过活性炭、多孔石墨烯和镍金属有机骨架材料相互配合，共同过滤烟气中的有害物质，同时通过物理和化学作用，吸附、降解降低烟气中的有害物质，达到协同过滤烟气中有害物质的作用。具有过滤效率高，使用周期长的特点。
本发明提供上述制备方法得到的石墨烯过滤网能够应用于香烟中，可以制作成为香烟的过滤嘴使用，也可以作为滤芯，放置于香烟过滤器中使用。
本发明的有益效果为：
本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网以蜂窝状的聚丙烯为基材，通过在基材上负载氧化石墨烯、活性炭和镍金属有机骨架复合材料得到。本发明提供的制备方法通过模板法制备多孔石墨烯，然后将活性炭和镍金属有机骨架材料与多孔石墨烯复合，具有吸附作用的活性炭和具有催化作用的镍金属有机骨架材料能够进入到石墨烯的孔隙中，在针对香烟烟气的过滤过程中，活性炭能够吸附一部分有害气体，具有较大比表面积的多孔石墨烯能够吸附更多的有害气体、焦油及重金属，镍金属有机骨架材能够达到催化降解有害气体的作用，同时镍金属骨架材料也具有较大的比表面积，能够吸附有害气体、焦油及重金属。本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网通过物理吸附和化学催化分解作用，能够有效降低香烟烟气中的有害物质的含量，其中焦油的含量降低85％，苯并芘含量下降45.45％，铅的含量降低74.1％，砷的含量降低50％，镉的含量降低50％，且不影响香烟的口感，具有广阔的应用前景。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
一种石墨烯香烟烟气过滤网，其制备方法包括以下步骤：
(1)取1g氧化石墨烯分散于10g水中，形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中加入2g氯化钙和0.5g碳酸钠，混合反应，然后加入0.42mL乙醇、0.2g氨水和0.33g乙二胺，在90℃反应6h，然后加入质量分水为10％的盐酸50g，过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯；
(2)取浓度为2mol/L的氢氧化钠水溶液100mL，加入0.4mol对苯二甲酸，搅拌均匀，然后加入0.2mol硝酸镍，在50℃反应5h，过滤，干燥，得到镍金属有机骨架溶液；
(3)取活性炭、步骤(1)得到的多孔石墨烯、步骤(2)得到的镍金属有机骨架溶液，所述活性炭：多孔石墨烯：镍金属有机骨架溶液的质量比为0.5:1:1，混合，搅拌均匀，得到混合溶液；
(4)取蜂窝状的聚丙烯基材，放置于步骤(3)得到的混合溶液中，浸泡2天，取出基材，静置30min，在45℃烘干24h，得到所述石墨烯香烟烟气过滤网。
实施例2
一种石墨烯香烟烟气过滤网，其制备方法包括以下步骤：
(1)取1g氧化石墨烯分散于20g水中，形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中加入5g氯化钙和0.2g碳酸钠，混合反应，然后加入0.25mL乙醇、0.1g氨水和0.2g乙二胺，在100℃反应5h，然后加入质量分水为15％的盐酸100g，过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯；
(2)取浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液100mL，加入1mol对苯二甲酸，搅拌均匀，然后加入0.5mol硝酸镍，在100℃反应4h，过滤，干燥，得到镍金属有机骨架溶液；
(3)取活性炭、步骤(1)得到的多孔石墨烯、步骤(2)得到的镍金属有机骨架溶液，所述活性炭：多孔石墨烯：镍金属有机骨架溶液的质量比为1:1:1，混合，搅拌均匀，得到混合溶液；
(4)取蜂窝状的聚丙烯基材，放置于步骤(3)得到的混合溶液中，浸泡3天，取出基材，静置60min，在30℃烘干36h，得到所述石墨烯香烟烟气过滤网。
实施例3
一种石墨烯香烟烟气过滤网，其制备方法包括以下步骤：
(1)取1g氧化石墨烯分散于15g水中，形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中加入3g氯化钙和0.25g碳酸钠，混合反应，然后加入0.25mL乙醇、0.1g氨水和0.2g乙二胺，在100℃反应5h，然后加入质量分水为15％的盐酸100g，过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯；
(2)取浓度为3mol/L的氢氧化钠水溶液100mL，加入0.6mol对苯二甲酸，搅拌均匀，然后加入0.3mol硝酸镍，在100℃反应4h，过滤，干燥，得到镍金属有机骨架溶液；
(3)取活性炭、步骤(1)得到的多孔石墨烯、步骤(2)得到的镍金属有机骨架溶液，所述活性炭：多孔石墨烯：镍金属有机骨架溶液的质量比为1:1:1，混合，搅拌均匀，得到混合溶液；
(4)取蜂窝状的聚丙烯基材，放置于步骤(3)得到的混合溶液中，浸泡3天，取出基材，静置60min，在30℃烘干36h，得到所述石墨烯香烟烟气过滤网。
对比例1
一种石墨烯香烟烟气过滤网，其制备方法包括以下步骤：
(1)取1g氧化石墨烯分散于15g水中，形成氧化石墨烯溶液；
(2)取活性炭、步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液，所述活性炭：氧化石墨烯的质量比为1:1，混合，搅拌均匀，得到混合溶液；
(3)取蜂窝状的聚丙烯基材，放置于步骤(2)得到的混合溶液中，浸泡3天，取出基材，静置60min，在30℃烘干36h，得到所述石墨烯香烟烟气过滤网。
试验例
取同一品牌香烟三支，每组一支，分别为试验组、对照组和空白组。试验组烟气通过实施例3得到的石墨烯香烟烟气过滤网；对照组烟气通过对比例1得到的石墨烯香烟烟气过滤网，空白组不通过任何过滤网，采用SM400型吸烟机、高效液相色谱统计各组烟气中的焦油、苯并芘的含量；采用AA7020型石墨炉原子吸收仪检测各组重金属铅、砷、镉的含量，结果见表1。
表1检测结果
Figure BDA0002622774730000061
从表1的结果可以看出，烟气通过对比例1得到的石墨烯香烟烟气过滤网后，其中焦油的含量降低18.75％，苯并芘含量下降9.09％，铅的含量降低7.41％，砷的含量降低16.7％，镉的含量降低12.5％，这说明仅采用普通的石墨烯与活性炭进行复合对烟气进行过滤，过滤效果有限。而烟气通过本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网之后，焦油的含量降低85％，苯并芘含量下降45.45％，铅的含量降低74.1％，砷的含量降低50％，镉的含量降低50％，结果可以看出，本发明提供的石墨烯香烟烟气过滤网通过多孔石墨烯、活性炭和镍金属有机骨架复合材料相互作用，能够有效降低烟气中的有害物质及重金属的含量，具有广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取氧化石墨烯分散于水中，形成氧化石墨烯溶液，在氧化石墨烯溶液中加入氯化钙和碳酸钠，混合反应，然后加入乙醇、氨水和乙二胺，在90-100℃反应5-6h，然后加入盐酸，过滤，洗涤，干燥，得到多孔石墨烯；
(2)取氢氧化钠水溶液，加入对苯二甲酸，搅拌均匀，然后加入镍离子盐溶液，在50-100℃反应4-5h，过滤，干燥，得到镍金属有机骨架溶液；
(3)取活性炭、步骤(1)得到的多孔石墨烯、步骤(2)得到的镍金属有机骨架溶液，混合，搅拌均匀，得到混合溶液；
(4)取蜂窝状的聚丙烯基材，放置于步骤(3)得到的混合溶液中，浸泡2-3天，取出基材，静置30-60min，烘干，得到所述石墨烯香烟烟气过滤网。
2.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氧化石墨烯与水的重量比为1:10-20。
3.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氯化钙与氧化石墨烯的重量比为2-5:1，所述碳酸钠与氧化石墨烯的重量比为1:2-5。
4.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述乙醇与氧化石墨烯的重量比为1:3-5，所述氨水与氧化石墨烯的重量比为1:5-10，所述乙二胺与氧化石墨烯的重量比为1:3-5。
5.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述盐酸的质量分数为10-15％，所述盐酸与氧化石墨烯的重量比为50-100:1。
6.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为2-5mol/L。
7.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述对苯二甲酸与氢氧化钠的摩尔比为2:1，所述镍离子盐与对苯二甲酸的摩尔比为1:1。
8.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述活性炭：多孔石墨烯：镍金属有机骨架溶液的质量比为0.5-1:1:1。
9.根据权利要求1所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述烘干温度为30-45℃，烘干时间为24-36h。
10.权利要求1-9任一所述的石墨烯香烟烟气过滤网的制备方法得到的过滤网。
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