CN112007642A - 一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用，属于功能性新材料技术领域，是将电气石、光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、含C、N有机物助剂、成型剂，采用机械固相活化技术使各物质进行充分混合、活化反应，处理后的混合物料再进行高温烧制即得到复合材料。所制备的复合材料具有高机械强度并可高效水解制氢，通过水解产氢形成富氢活性水，用于喂食动物，增强畜禽的免疫力和抵抗力，减少疾病发生，并由此显著减少用药量，且该复合材料在使用过程中不会产生有毒有害物质，安全环保。

Description

一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及功能性新材料技术领域，具体是一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着规模化养殖的快速发展，畜禽养殖场中的养殖密度越来越高。在集约化模式下，多数养殖场的畜禽健康水平低下，疾病频发，用药量逐年增加，特别是抗生素的大规模使用、滥用以及养殖企业对抗生素的严重依赖已经成为畜禽养殖业可持续发展的障碍，食品安全受到威胁。为了减少对畜禽的用药量，需要从根本上提高畜禽的免疫力和抵抗力，抑制菌类感染，减少疾病发生。
氢气是无色、无味、无毒的双原子分子气体，同时也是已知最轻的气体，可以快速地扩散到细胞膜上，很容易穿透血脑屏障。氢气是一种具有治疗性和预防性的抗氧化剂，具有抗氧化、抗炎症、抗过敏等作用，可以有效清除自由基和过氧亚硝基阴离子，对多种慢性疾病具有很好的治疗作用。氢气在水中的溶解度大约为0.8mM，这个浓度符合产生生物学作用的剂量，许多体内重要生物分子浓度远低于这个浓度。大量动物实验研究证据表明，氢气可以减少氧化损伤和炎症损伤，对许多急性和慢性炎症等相关疾病具有治疗作用。富氢水不仅洁净，有氢有能量，水都是呈现小分子活水团，可净化血液，使血液畅通，代谢旺盛，预防多种疾病，增进生物体的健康。
电气石是一种含有硼、铝、钠、铁、锂、镁的三方晶系环状硅酸盐矿物，其特有的晶体结构具有永久带电、永久放电和永久磁性的特点，表现为热释电性、压电效应、天然极性、辐射远红外、释放负离子等特性，电气石经加热加压后放电特性会进一步加强。电气石对水具有电解作用，即电气石晶体自发极化效应产生的电极使其周围的水分子发生电解，水被分解为氢氧根离子和氢离子，氢氧根离子和空气中的分子结合形成负离子团，而氢离子与电气石电极之间弱电流提供的电子结合形成氢气，溶解在水中形成富氢水。但仅靠电气石本身水解产氢效率较低，需引入其它材料以提升其产氢的能力。半导体光催化材料可将水催化水解为氢气，产生的氢气直接溶解在水中形成富氢水。半导体光催化水解制氢过程主要包括：光催化剂俘获太阳光，激活后产生光生电荷载流子；电子空穴发生分离并迁移到光催化剂表面；光催化剂表面分别发生析氢反应。因此，将半导体光催化材料结合到电气石中，可进一步提高水解产氢效率。
公布号为CN201510456288.8的中国发明专利公开了制造富氢水合金陶瓷材料及其制备方法和应用，包含电气石、水元石、氧化硅、氧化钙和沸石、镁粉、氧化镁粉和KDF合金粉末、氧化锌、氧化钛和氧化铈、羧丙基纤维素、膨润土等多种成分，具有制造弱碱水、负电位水和富氢水三大功能，还具有抗菌和活化水作用。但所用成分复杂，不适于广泛使用。因此，现需研究一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种生产富氢活性水的复合材料及其制备方法和应用，所制备的复合材料具有高机械强度并可高效水解制氢，通过水解产氢形成富氢活性水，用于喂食动物，增强畜禽的免疫力和抵抗力，减少疾病发生，并由此显著减少用药量，且该复合材料在使用过程中不会产生有毒有害物质，安全环保。
为实现上述目的提供如下技术方案：
一种生产富氢活性水的复合材料，是将电气石、光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、含C、N有机物助剂、成型剂，采用机械活化固相技术使各物质进行充分混合、活化反应，处理后的混合物料再进行高温煅烧即得到复合材料。
进一步地，所述电气石为天然极性的铁电气石、锂电气石、镁电气石、铁镁电气石中的任一种或两种以上组合。
进一步地，所述光催化材料为二氧化钛；所述光催化剂禁带宽度改性材料为三氧化二铁；所述光电子能量传递材料为二氧化硅；所述成型剂为面粉；所述含C、N有机物助剂为三聚氰胺、尿素、蛋白质中的任一种或两种以上的组合。
进一步地，所述电气石、光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、成型剂、含C、N有机物助剂的质量比为100:5～30:2～15:5～20:30～60:2～15。
本发明提供所述生产富氢活性水的复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将电气石粉碎至一定细度，然后与光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、含C、N有机物助剂、成型剂混合均匀，得到混合物料；
(2)将混合物料加入进行机械活化固相反应处理，得到预处理物料；
(3)将预处理物料制成型，在惰性气体保护下高温煅烧，得到成品复合材料。
进一步地，在步骤(1)中，所述电气石的粉碎至800目以上。
进一步地，在步骤(2)中，所述机械活化固相反应：是将混合物料与球磨介质堆体积按200g:300～600mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400～600rpm和30～80℃恒温条件下进行机械活化预处理1～3h，停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料。
进一步地，在步骤(3)中，所述惰性气体为氮气或氩气。
进一步地，在步骤(3)中，所述高温煅烧是于400～800℃中烧制1～4h。
本发明提供所述生产富氢活性水的复合材料的应用，将所述复合材料浸泡在水中5～60min，通过水解产氢形成富氢活性水；浸泡时所述复合材料：水的质量比为0.5～10:100；产生所述富氢活性水的浓度为0.37～0.82mM。
本发明的原料：电气石、光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、含C、N有机物助剂、成型剂均购自国内外化学原料公司，可直接使用的。
本发明的原理是：
本发明以电气石为水解产氢主体材料，采用机械活化技术将光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料等以镶嵌式掺杂态的方式与可水解产氢的电气石紧密结合，并以面粉作为成型剂，并添加含C、N有机物助剂，强机械力使固体物质被充分细化并产生裂纹，同时产生塑性变形和各种类型的缺陷，如晶格畸变、晶体结晶度降低乃至无定型化，使部分机械能转变成物质的内能，产生裂纹和缺陷的各物质充分混合且呈现互相镶嵌式的掺杂态，有利于形成紧密结合、结构稳定的复合材料。机械活化后的物料制成块状或球状，经高温处理使面粉、有机物助剂发生热解并将部分三氧化二铁还原为磁性四氧化三铁，与C、N结合形成具有光热响应功能的复合物，面筋中的二硫键使面粉热解后形成高强度的炭材料，使复合材料成型为稳定的、具有高机械强度的块状或球状体，便于分离和循环利用。将复合材料浸泡在水中，通过水解产氢形成富氢活性水，用于喂食动物，提高畜禽的免疫力和抵抗力，减少用药量，促进畜牧业的健康、可持续发展。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明生产富氢活性水的复合材料的制备过程为固相法，所加入的物料均是复合材料的重要组分，不需要分离，操作简单，生产成本低，可最大程度地减少生产过程的污染。
(2)本发明采用机械活化固相技术，使固体物质被充分细化并产生裂纹，同时产生塑性变形和各种类型的缺陷，使部分机械能转变成物质的内能，产生裂纹和缺陷的各物质充分混合且呈现互相镶嵌式的掺杂态，有利于形成各组分紧密结合、结构稳定的复合材料，且对物料进行高温处理可以进一步激活提升电气石水解产氢的性能，同时在高温条件下面粉、有机物助剂发生热解并将部分三氧化二铁还原为磁性四氧化三铁，与C、N结合形成具有光热响应功能的复合物，光照强度的升高可有效促进二氧化钛光催化剂激发产生光电子的能力，进而增强复合材料水解产氢的性能。
(3)本发明采用高温煅烧过程面粉使复合材料呈现稳定、高强度的块状或球状体，便于分离和循环利用，且复合材料在使用过程中不会产生有毒有害物质，安全环保。
(4)本发明复合材料浸泡在水中，通过水解产氢形成富氢活性水，用于喂食动物，提高畜禽的免疫力和抵抗力，减少用药量，促进畜牧业的健康、可持续发展。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为是对本发明的限制。
在本发明实施例中，电气石和含C、N有机物助剂的组成如下表所示：
Figure BDA0002585532480000041
制备实施例1
根据图1所示工艺流程进行反应。将电气石粉碎至过800目，然后将二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、面粉、含C、N有机物助剂按100:5:2:5:30:2的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:500mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400rpm和80℃恒温条件下进行机械活化预处理，3h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料成型为块状或球状，在氮气保护下于400℃下煅烧4h，得到高强度的块状或球状复合材料。
应用：将实施例1所得复合材料在放于水温20℃环境中、于不同光照强度进行浸泡验证，验证的浸泡时间为10min，浸泡时所述复合材料:水的质量比为1:100；并测试所得富氢活性水的浓度。结果如表1。
表1
Figure BDA0002585532480000051
由表1可见，相同水温下，随着光照强度降低，实施例1所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着光照强度的变化可控调整。
制备实施例2
将电气石粉碎至过2000目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、面粉、含C、N有机物助剂按100:30:15:20:60:15的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:300mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为500rpm和50℃恒温条件下进行机械活化预处理，2h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料成型为块状或球状，在氩气保护下于800℃下煅烧1h，得到高强度的块状或球状复合材料。
应用：将实施例2所得复合材料在放于水温20℃环境中、于不同光照强度进行验证，验证的浸泡时间为10min，浸泡时所述复合材料:水的质量比为1:100；并测试所得富氢活性水的浓度。结果如表2。
表2
Figure BDA0002585532480000052
由表2可见，相同水温下，随着光照强度降低，实施例2所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着光照强度的变化可控调整。
制备实施例3
将电气石粉碎至过1600目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、面粉、含C、N有机物助剂按100:20:10:15:40:10的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:400mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为600rpm和30℃恒温条件下进行机械活化预处理，1h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料成型为块状或球状，在氮气保护下于600℃下煅烧2h，得到高强度的块状或球状复合材料。
应用：将实施例3所得复合材料在放于水温20℃环境中、于不同光照强度进行验证，验证的浸泡时间为10min，浸泡时所述复合材料:水的质量比为1:100；并测试所得富氢活性水的浓度。结果如表3。
表3
Figure BDA0002585532480000061
由表3可见，相同水温下，随着光照强度降低，实施例3所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着光照强度的变化可控调整。
制备实施例4
将电气石粉碎至过1300目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、面粉、含C、N有机物助剂按100:15:12:10:50:12的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:600mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为500rpm和60℃恒温条件下进行机械活化预处理，2h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料成型为块状或球状，在氩气保护下于500℃下煅烧3h，得到高强度的块状或球状复合材料。
应用：将实施例4所得复合材料在放于水温20℃环境中、于不同光照强度进行验证，验证的浸泡时间为10min，浸泡时所述复合材料:水的质量比为1:100；并测试所得富氢活性水的浓度。结果如表4。
表4
Figure BDA0002585532480000071
由表4可见，相同水温下，随着光照强度降低，实施例4所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着光照强度的变化可控调整。并再次验证了实施例1-3的应用结果。
制备实施例5
将电气石粉碎至过1000目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、面粉、含C、N有机物助剂按100:15:12:10:50:12的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:600mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为500rpm和60℃恒温条件下进行机械活化预处理，2h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料成型为块状或球状，在氩气保护下于500℃下煅烧3h，得到高强度的块状或球状复合材料。
将实施例5得到的复合材料进行实施例4中的应用，验证的浸泡时间为5min，浸泡时所述复合材料：水的质量比为10:100；测试结果与实施例4相近；说明相同水温下，随着光照强度降低所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着光照强度的变化可控调整；也说明本发明制备的复合材料具有良好的重现性。
制备实施例6
将电气石粉碎至过2000目，然后将电气石、二氧化钛、三氧化二铁、二氧化硅、面粉、含C、N有机物助剂按100:15:12:10:50:12的质量比加入到高速混合机中混合均匀，得到混合物料；将混合物料与球磨介质堆体积按200g:600mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为500rpm和60℃恒温条件下进行机械活化预处理，2h后停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料；将预处理物料成型为块状或球状，在氩气保护下于500℃下煅烧3h，得到高强度的块状或球状复合材料。
将实施例6得到的复合材料进行实施例4中的应用，验证的浸泡时间为60min，浸泡时所述复合材料：水的质量比为0.5:100；测试结果与实施例4相近，相同水温下，随着光照强度降低所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着光照强度的变化可控调整；也说明本发明制备的复合材料具有良好的重现性。
再将实施例1-6所得复合材料于光照强度为10000Lux、不同的温度(10℃、15℃、20℃、25℃、35℃)下进行验证，并测试所述所得富氢活性水的浓度。测试结果表明，相同水温下，随着水温降低，所述复合材料浸入水中所得富氢活性水的浓度也略有降低。说明本发明的所得富氢活性水的浓度随着水温的变化可控调整；也说明本发明制备的复合材料具有良好的重现性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种生产富氢活性水的复合材料，其特征在于，是将电气石、光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、含C、N有机物助剂、成型剂，采用机械活化固相技术使各物质进行充分混合、活化反应，处理后的混合物料再进行高温煅烧即得到复合材料。
2.根据权利要求1所述生产富氢活性水的复合材料，其特征在于，所述电气石为天然极性的铁电气石、锂电气石、镁电气石、铁镁电气石中的任一种或两种以上组合。
3.根据权利要求1所述生产富氢活性水的复合材料，其特征在于，所述光催化材料为二氧化钛；所述光催化剂禁带宽度改性材料为三氧化二铁；所述光电子能量传递材料为二氧化硅；所述成型剂为面粉；所述含C、N有机物助剂为三聚氰胺、尿素、蛋白质中的任一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述生产富氢活性水的复合材料，其特征在于，所述电气石、光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、成型剂、含C、N有机物助剂的质量比为100:5～30:2～15:5～20:30～60:2～15。
5.一种如权利要求1-4任一项所述生产富氢活性水的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将电气石粉碎至一定细度，然后与光催化材料、光催化剂禁带宽度改性材料、光电子能量传递材料、含C、N有机物助剂、成型剂混合均匀，得到混合物料；
(2)将混合物料加入进行机械活化固相反应处理，得到预处理物料；
(3)将预处理物料制成型，在惰性气体保护下高温煅烧，得到成品复合材料。
6.根据权利要求5所述生产富氢活性水的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述电气石的粉碎至800目以上。
7.根据权利要求5所述生产富氢活性水的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述机械活化固相反应：是将混合物料与球磨介质堆体积按200g:300～600mL的比例加入机械活化固相反应器中，在转速为400～600rpm和30～80℃恒温条件下进行机械活化预处理1～3h，停止球磨，分离产物和磨球，得到预处理物料。
8.根据权利要求5所述生产富氢活性水的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述惰性气体为氮气或氩气。
9.根据权利要求5所述生产富氢活性水的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述高温煅烧是于400～800℃中烧制1～4h。
10.一种如权利要求1-4任一项所述生产富氢活性水的复合材料的应用，其特征在于，将所述复合材料浸泡在水中5～60min，通过水解产氢形成富氢活性水；浸泡时所述复合材料：水的质量比为0.5～10:100；产生所述富氢活性水的浓度为0.37～0.82mM。
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