CN112892487A - 一种复合抗菌型空气净化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种复合抗菌型空气净化剂及其制备方法。本发明研制的产品为多孔材料；所述多孔材料中，至少部分孔隙为通孔；所述空气净化剂中，包括核壳结构主体材料；所述核壳结构主体材料包括内核和外壳；所述内核中，包括尖晶石型铁氧体；所述外壳中，包括二氧化硅和二氧化钛。在制备时，先将铁盐溶液、金属盐溶液和柠檬酸溶液等制备得到湿凝胶，再将湿凝胶煅烧，得到尖晶石型铁氧体；随后在尖晶石型铁氧体表面包覆二氧化硅和二氧化钛。本发明所得产品具有高效且优异的抗菌和空气净化性能。

Description

一种复合抗菌型空气净化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于环保技术领域。更具体地，涉及一种复合抗菌型空气净化剂及其制备方法。
背景技术
近年来，随着我国城市工业化的迅猛发展，大气污染日益严重，空气质量进一步恶化，不仅危害到人们的正常生活，而且对人们的身心健康造成危害。与人们息息相关的室内空气质量也令人堪忧，特别是近年来各种新型建筑装饰材料尤其是化学复合材料携带有大量的甲醛、苯系物、氨等有毒气体，对室内空气造成严重的污染，眼睛干燥、皮肤发痒、头痛、记忆力减退等不适症状频繁发生。如何高效地脱除如甲醛、甲苯、苯等易挥发性有机化合物成为研究人员关注的焦点。
吸附法因其方法简单且无污染被广泛应用于有害气体的吸附。但多数吸附剂存在吸附效率低、饱和速度快，或者成本较高，甚至有些会带来二次污染等缺点，因此高效低廉便于使用的净化材料的研究与开发非常迫切。
空气净化材料是通过物理、化学等方式吸附分解空气中的有害物质，应用空气净化材料是一种有效控制空气污染源的方式。目前，市面上的空气过滤材料主要以活性炭为主，但是普通活性炭以微孔为主，表面化学官能团含量少，极性小，只能进行简单的物理吸附，对空气中氮氧化物、硫氧化物、重金属离子等极性污染物吸附容量小，选择性差，在高温环境下还会将有害气体释放，无法将其锁定。并且，活性炭在吸附一段时间后会达到吸附饱和，也会将有害气体重新释放出来形成二次污染。因此，活性炭的有效使用时间非常短，而很多情况下，有害气体的释放是长期的，例如室内装修完甲醛释放最少需要几年时间，甚至十几年时间。
因此有必要提供一种新型具有高效去除率、不造成二次污染的空气净化材料，以解决越来越重视的空气质量问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有空气净化剂材料在使用过程中，室内空气中的细菌和污染物难以与净化剂材料高效接触，导致空气净化剂和细菌以及污染物的接触效率低，难以及时有效的完成细菌和污染物的去除，导致处理效果较差的缺陷和不足，提供一种复合抗菌型空气净化剂及其制备方法。
本发明的目的是提供一种复合抗菌型空气净化剂。
本发明另一目的是提供一种复合抗菌型空气净化剂的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种复合抗菌型空气净化剂，所述空气净化剂为多孔材料；所述多孔材料中，至少部分孔隙为通孔；
所述空气净化剂中，包括核壳结构主体材料；
所述核壳结构主体材料包括内核和外壳；
所述内核中，包括尖晶石型铁氧体；
所述外壳中，包括二氧化硅和二氧化钛。
上述技术方案通过在多孔结构的空气净化剂材料体系中，引入尖晶石型铁氧体，因尖晶石型铁氧体材料具有相对较窄的带隙(约为2eV)，另外，尖晶石结构中的O2-呈立方紧密堆积，留下了大量四面体和八面体空隙，这些空隙还能被其他离子半径小或接近的金属离子取代，使得尖晶石型铁氧体能够进行掺杂，在导带与禁带之间构建杂质能级，从而使得铁氧体可以吸收室内环境周围中的各式各样的热辐射，具体地，为阳光辐射、人体和环境中的红外辐射等，尖晶石型铁氧体可将其吸收并转化为热能，从而通过热传导，使得空气净化剂主体温度升高，从而使得多孔结构内部的空气受热，由于热空气会向上扩散，扩散后，下方相对较冷的空气会快速向内部补充，从而实现了室内环境中的空气不断通过空气净化剂的孔隙进行循环流动，而在流动过程中，空气中的细菌和污染物则被多孔结构截流，并被空气净化剂得以净化去除；
另外，又由于尖晶石型铁氧体可吸收阳光辐射和红外辐射等，并将其转换为热量，使得空气净化剂热量升高，又由于空气净化剂对细菌和污染物的净化过程实际为复杂的物理化学反应，热量的升高，可以加速该物理化学反应的发生，进一步提升了处理效率和处理效果。
进一步地，所述外壳中，还包括氧化石墨烯。
进一步地，所述氧化石墨烯层间和表面吸附有聚多巴胺吸附层。
上述技术方案进一步引入层状结构的氧化石墨烯，其结构提供了空气流通的通道，并在氧化石墨烯层间和表面吸附聚多巴胺层，由于聚多巴胺对微生物和空气中有机污染气体具有良好的吸附作用，因此，可以在空气在孔隙中进行流动时候，提高对微生物和空气中污染物的截留效果。
进一步地，所述尖晶石型铁氧体为铁酸钙(CaFe2O4)、铁酸镁(MgFe2O4)、铁酸锌(ZnFe2O4)、铁酸镍(NiFe2O4)、铁酸铜(CuFe2O4)中的任意一种。
一种复合抗菌型空气净化剂的制备方法，具体制备步骤包括：
(1)将铁盐溶液、金属盐溶液和柠檬酸溶液混合均匀后，调节pH至7.5-8.0，静置老化，得湿凝胶；所述金属盐溶液为硝酸钙溶液、氯化钙溶液、硝酸镁溶液、氯化镁溶液、硫酸镁溶液、硝酸锌溶液、氯化锌溶液、硫酸锌溶液、硝酸镍溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、硫酸铜溶液中的任意一种；
(2)将湿凝胶干燥后，煅烧，球磨，得尖晶石型铁氧体；
(3)将尖晶石型铁氧体分散于无水乙醇中，再加入脂肪酸、硅酸酯和钛酸酯，加热回流反应后，过滤，洗涤和干燥，即得核壳结构主体材料；
(4)将核壳结构主体材料和助剂混合均匀，封装，即得复合抗菌型空气净化剂。
进一步地，所述具体制备步骤还包括：
在步骤(4)加热回流反应前，加入氧化石墨烯。
进一步地，所述氧化石墨烯为聚多巴胺改性氧化石墨烯，所述聚多巴胺改性氧化石墨烯的制备步骤包括：将氧化石墨烯分散于多巴胺溶液中，调节pH至7.5-8.0，再向溶液中充入空气，搅拌反应后，过滤，洗涤和干燥，得聚多巴胺改性氧化石墨烯。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
按质量比为1：10将氧化石墨烯和质量浓度为1g/L的多巴胺溶液混合倒入反应器中，于超声频率为55kHz条件下，超声分散10min后，用质量分数为1％的氢氧化钠溶液调节pH至7.5，再向反应器中溶液内以10mL/min速率充入20min空气，边通入空气，边用搅拌器以300r/min转速搅拌反应，再经过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼3次，再将洗涤后的滤饼转入真空干燥箱中，于温度为-40℃，压力为80Pa条件下，真空冷冻干燥至恒重，出料，得聚多巴胺改性氧化石墨烯；
按重量份数计，依次取50份质量分数为10％的硝酸铁溶液，30份质量分数为10％的硝酸铜溶液，5份质量分数为3％的柠檬酸溶液，混合后，用搅拌器以400r/min转速搅拌混合30min，再滴加质量分数为5％的氨水，调节pH至7.5，继续用搅拌器搅拌混合2h后，于室温条件下，静置老化18h，得湿凝胶；
将湿凝胶转入真空干燥箱中，于压力为200Pa，温度为75℃条件下，真空干燥至恒重，得干凝胶，再将所得干凝胶转入马弗炉中，以3℃/min速率加热升温至400℃，保温煅烧2h后，随炉冷却至室温，出料，得煅烧料；再将所得煅烧料转入球磨罐中，并按球料质量比为10：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合4h后，出料，得尖晶石型铁氧体；
按重量份数计，依次取30份尖晶石型铁氧体，3份聚多巴胺改性氧化石墨烯，200份无水乙醇，10份正硅酸乙酯，10份钛酸四丁酯，8份硬脂酸，混合倒入反应器中，于温度为75℃条件下，加热回流反应3h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼3次，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为80℃条件下，干燥至恒重，得核壳结构主体材料；
按重量份数计，依次取80份核壳结构主体材料，5份活性炭，10羧甲基纤维素钠溶液，搅拌混合后，于温度为75℃条件下，干燥至恒重，再经封装，即得产品。
实施例2
按质量比为1：12将氧化石墨烯和质量浓度为2g/L的多巴胺溶液混合倒入反应器中，于超声频率为60kHz条件下，超声分散15min后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节pH至7.8，再向反应器中溶液内以15mL/min速率充入30min空气，边通入空气，边用搅拌器以400r/min转速搅拌反应，再经过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼4次，再将洗涤后的滤饼转入真空干燥箱中，于温度为-45℃，压力为90Pa条件下，真空冷冻干燥至恒重，出料，得聚多巴胺改性氧化石墨烯；
按重量份数计，依次取55份质量分数为12％的氯化铁溶液，35份质量分数为10-15％的硝酸钙溶液，8份质量分数为4％的柠檬酸溶液，混合后，用搅拌器以500r/min转速搅拌混合50min，再滴加质量分数为8％的氨水，调节pH至7.8，继续用搅拌器搅拌混合2.5h后，于室温条件下，静置老化20h，得湿凝胶；
将湿凝胶转入真空干燥箱中，于压力为400Pa，温度为78℃条件下，真空干燥至恒重，得干凝胶，再将所得干凝胶转入马弗炉中，以5℃/min速率加热升温至450℃，保温煅烧2.5h后，随炉冷却至室温，出料，得煅烧料；再将所得煅烧料转入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合5h后，出料，得尖晶石型铁氧体；
按重量份数计，依次取35份尖晶石型铁氧体，6份聚多巴胺改性氧化石墨烯，250份无水乙醇，15份正硅酸乙酯，12份钛酸四乙酯，12份硬脂酸，混合倒入反应器中，于温度为80℃条件下，加热回流反应4h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼4次，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为85℃条件下，干燥至恒重，得核壳结构主体材料；
按重量份数计，依次取90份核壳结构主体材料，8份活性炭，12羧甲基纤维素钠溶液，搅拌混合后，于温度为78℃条件下，干燥至恒重，再经封装，即得产品。
实施例3
按质量比为1：15将氧化石墨烯和质量浓度为3g/L的多巴胺溶液混合倒入反应器中，于超声频率为65kHz条件下，超声分散20min后，用质量分数为3％的氢氧化钠溶液调节pH至8.0，再向反应器中溶液内以30mL/min速率充入40min空气，边通入空气，边用搅拌器以500r/min转速搅拌反应，再经过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼5次，再将洗涤后的滤饼转入真空干燥箱中，于温度为-50℃，压力为100Pa条件下，真空冷冻干燥至恒重，出料，得聚多巴胺改性氧化石墨烯；
按重量份数计，依次取60份质量分数为15％的氯化铁溶液，40份质量分数为15％的氯化钙溶液，10份质量分数为5％的柠檬酸溶液，混合后，用搅拌器以600r/min转速搅拌混合60min，再滴加质量分数为10％的氨水，调节pH至8.0，继续用搅拌器搅拌混合3h后，于室温条件下，静置老化24h，得湿凝胶；
将湿凝胶转入真空干燥箱中，于压力为500Pa，温度为80℃条件下，真空干燥至恒重，得干凝胶，再将所得干凝胶转入马弗炉中，以10℃/min速率加热升温至500℃，保温煅烧3h后，随炉冷却至室温，出料，得煅烧料；再将所得煅烧料转入球磨罐中，并按球料质量比为30：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合6h后，出料，得尖晶石型铁氧体；
按重量份数计，依次取40份尖晶石型铁氧体，8份聚多巴胺改性氧化石墨烯，300份无水乙醇，20份正硅酸甲酯，15份钛酸四甲酯，15份亚油酸，混合倒入反应器中，于温度为85℃条件下，加热回流反应5h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼5次，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为90℃条件下，干燥至恒重，得核壳结构主体材料；
按重量份数计，依次取100份核壳结构主体材料，10份活性炭，15羧甲基纤维素钠溶液，搅拌混合后，于温度为80℃条件下，干燥至恒重，再经封装，即得产品。
对比例1
本对比例相比于实施例1而言，区别在于：未加入氧化石墨烯，其余条件保持不变。
对比例2
本对比例相比于实施例1而言，区别在于：未对干凝胶进行400℃的煅烧处理，其余条件保持不变。
对比例3
本对比例相比于实施例1而言，区别在于，产品中未加入核壳结构主体材料，其余条件保持不变。
对实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：
分别称取100g上述各实施例和对比例的产品，并将产品分别放入6件同样体积大小的玻璃房中，摆放位置保持一致，玻璃房的规格为2m×2m×2m，再将玻璃房移至室外，向玻璃房中通入实验室预制污染性气体，调节玻璃房内甲醛浓度至100mg/m3，大肠杆菌浓度为5000菌落数/m3，再将玻璃房密闭，12h后，测试玻璃房内甲醛浓度和大肠杆菌浓度，并计算得到甲醛的去除率和大肠杆菌的去除率，具体结果见表1；
表1：产品性能测试结果
Figure BDA0002906024960000061
Figure BDA0002906024960000071
由表1测试结果可知，本发明所得产品可以在12小时内，将玻璃房中的污染性气体杂质以及细菌得到有效的去除。
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 (7)

1.一种复合抗菌型空气净化剂，其特征在于，所述空气净化剂为多孔材料；所述多孔材料中，至少部分孔隙为通孔；
所述空气净化剂中，包括核壳结构主体材料；
所述核壳结构主体材料包括内核和外壳；
所述内核中，包括尖晶石型铁氧体；
所述外壳中，包括二氧化硅和二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的一种复合抗菌型空气净化剂，其特征在于，所述外壳中，还包括氧化石墨烯。
3.根据权利要求2所述的一种复合抗菌型空气净化剂，其特征在于，所述氧化石墨烯层间和表面吸附有聚多巴胺吸附层。
4.根据权利要求1所述的一种复合抗菌型空气净化剂，其特征在于，所述尖晶石型铁氧体为铁酸钙(CaFe2O4)、铁酸镁(MgFe2O4)、铁酸锌(ZnFe2O4)、铁酸镍(NiFe2O4)、铁酸铜(CuFe2O4)中的任意一种。
5.一种复合抗菌型空气净化剂的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：
(1)将铁盐溶液、金属盐溶液和柠檬酸溶液混合均匀后，调节pH至7.5-8.0，静置老化，得湿凝胶；所述金属盐溶液为硝酸钙溶液、氯化钙溶液、硝酸镁溶液、氯化镁溶液、硫酸镁溶液、硝酸锌溶液、氯化锌溶液、硫酸锌溶液、硝酸镍溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、硫酸铜溶液中的任意一种；
(2)将湿凝胶干燥后，煅烧，球磨，得尖晶石型铁氧体；
(3)将尖晶石型铁氧体分散于无水乙醇中，再加入脂肪酸、硅酸酯和钛酸酯，加热回流反应后，过滤，洗涤和干燥，即得核壳结构主体材料；
(4)将核壳结构主体材料和助剂混合均匀，封装，即得复合抗菌型空气净化剂。
6.根据权利要求5所述的一种复合抗菌型空气净化剂的制备方法，其特征在于，所述具体制备步骤还包括：
在步骤(3)加热回流反应前，加入氧化石墨烯。
7.根据权利要求6所述的一种复合抗菌型空气净化剂的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯为聚多巴胺改性氧化石墨烯，所述聚多巴胺改性氧化石墨烯的制备步骤包括：将氧化石墨烯分散于多巴胺溶液中，调节pH至7.5-8.0，再向溶液中充入空气，搅拌反应后，过滤，洗涤和干燥，得聚多巴胺改性氧化石墨烯。
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