CN113493350A - 光催化泡沫陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于光催化净化的泡沫陶瓷的制备方法，其中，该制备方法包括：高温去除杂质、超声波清洁、泡沫陶瓷的表面改性、纳米水溶胶涂附、和烧结工序。本发明的泡沫陶瓷与产生紫外光的光产生器套配成装置使用，具有高效的甲醛降解、臭氧去除和除菌功效，适应于多种工作电压和辐照强度，可应用于不同生活和产业环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光催化净化的泡沫陶瓷的制备方法，以及制备的光催化泡沫陶瓷和应用。
背景技术
商品化的环境净化装置多为冰箱杀菌消毒除味装置，但一般具有效能不高、使用面不广、性价比不高等问题。其作业环境具有低温、高湿的特点，且环境为暗域，装置需要适应黑暗环境和具有防潮的特性。现有的环境净化装置在冷阴极设置的灯多为发射单波段的紫外线灯管，涂覆的水溶胶为20～35nm的常温多频谱吸收段溶胶。这些结构、材料以及反应机理往往使得环境净化装置使用的场景受到限制。
专利申请201510273286.5公开了一种冰箱除味器，其包括箱壳、以及被箱壳包裹在内的过滤装置和引风装置，其除味是通过过滤装置实现，过滤装置包括3个以上的过滤层，每层过滤层内均设有除味剂，除味剂可以是多种或一种，除味剂为颗粒状，通过引风机的作用，使除味器主动将空气引入过滤层中，进行吸附，从而脱除异味，同时也可以根据需要增加杀菌消毒的功能。然而其使用的除味剂为硅胶、活性炭、茶粉、腐殖土、中草药、煤灰，其吸附能力弱，除味效果一般。
专利申请201420656647.5公开了一种带除味消毒杀菌功能的电冰箱，通过冰箱本体的底部的隔温室内设置有至少一个臭氧发生器进行杀菌消毒，但是臭氧发生器为常规的臭氧发生器，杀菌效果较差。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于光催化净化的泡沫陶瓷的制备方法，其中，所述制备方法包括：步骤(1)高温去除杂质：泡沫陶瓷基质在温度为350-550℃的条件下加热40～90分钟，得到经高温清洁的泡沫陶瓷；步骤(2)超声波清洁：将所述步骤(1)获得的所述经高温清洁的泡沫陶瓷使用低频超声波清洁泡沫陶瓷的内部孔隙，清洁时间为20～60分钟，得到经超声波清洁的泡沫陶瓷；步骤(3)泡沫陶瓷的表面改性：将所述步骤(2)得到的所述经超声波清洁的泡沫陶瓷用低温等离子处理，在360°全方位处理1～30分钟，得到经低温等离子处理的泡沫陶瓷；步骤(4)纳米水溶胶涂覆：使用3～10nmTiO2纳米水溶胶浸润所述步骤(3)经低温等离子处理的泡沫陶瓷，待其自然干透后，再次浸润，所述纳米水溶胶涂覆过程为2～10次，然后使用喷枪在360°全方位喷涂所述3～10nmTiO2纳米水溶胶，得到涂覆纳米水溶胶的泡沫陶瓷；以及步骤(5)烧结：将自然干燥的所述步骤(4)涂覆纳米水溶胶的泡沫陶瓷在350～750℃温度下烧结1～2小时，待自然降温后再次在350～750℃温度下烧结1～2小时，所述烧结过程为2～6次，得到所述用于光催化净化的泡沫陶瓷。
本发明的泡沫陶瓷的制备方法，制备工艺简单，利于产业上大规模应用。制备的泡沫陶瓷在紫外光催化净化过程效率高，清除臭氧仅两分钟即可见效；本发明的泡沫陶瓷通过三级复合梯级宽频谱高能反应激发臭氧，生成过氧化氢，进一步演化生成自由基HO·，以发挥清除微生物的功能；且能适用于低温、高湿的工作环境，可在暗域启动，具有防潮的能力；寿命长，在抗冲击10万次后才会出现老化，衰减性弱，在工作12万小时后紫外光强度和臭氧浓度才下降为初始的10％左右。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(1)中的所述泡沫陶瓷基质为聚酯海绵和Al2O3在1400℃的条件下煅烧成孔径为20～30ppm的泡沫陶瓷基质。
本发明以聚酯海绵和Al2O3制备的泡沫陶瓷基质用于制备本发明的用于光催化净化的泡沫陶瓷，可以适用于常温的工作环境。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(1)中的所述泡沫陶瓷基质为95瓷在1400℃的条件下煅烧2～5小时后得到的泡沫陶瓷基质。
本发明以95瓷煅烧制备的泡沫陶瓷基质用于制备本发明的用于光催化净化的泡沫陶瓷，可以适用于低温高湿的工作环境。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(1)为所述泡沫陶瓷基质在温度为400～500℃的条件下加热50～70分钟。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(1)为所述泡沫陶瓷基质在温度为450℃的条件下加热60分钟。使用高温加热清洁的目的在于清除泡沫陶瓷表面的残留颗粒物，以达到100％的清洁度。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(2)中所述超声波清洁时间为30～50分钟。
作为本发明的一种优选实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(2)中所述超声波清洁时间为30分钟。
使用超声波清洁的目的在于清除泡沫陶瓷内部空隙之间的尘埃，以实现深层清洁的目的。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(3)中所述低温等离子处理5～10分钟。
使用低温等离子处理，能使得泡沫陶瓷的表面分子排列发生变化，从而扩大接触面和接收面。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(4)中所述纳米水溶胶为4～7nm TiO2纳米水溶胶，所述浸润次数为3～5次。
作为本发明的一种优选实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(4)中所述纳米水溶胶为5nm TiO2纳米水溶胶。
作为本发明的一种实施方式，本发明制备泡沫陶瓷的制备方法中，所述步骤(5)中所述烧结在450～650℃温度下进行，所述烧结过程为3～5次。
反复烧结处理能使得涂覆的纳米材料更加稳定，形成晶宏石型结构。
本发明还涉及所述的制备方法制备的泡沫陶瓷。
本发明还涉及一种用于光催化净化的装置，所述装置配置有一个或两个以上光催化净化模块，所述光催化净化模块包括光产生器，所述光产生器能产生175～195nm波段和244～264nm波段的紫外光，其中，所述光催化净化模块还包括所述的泡沫陶瓷，所述光产生器设置于其产生的紫外光能直接激发所述的泡沫陶瓷的范围内。
本发明通过在泡沫陶瓷表面涂覆3～10nm的水溶胶，同时在冷阴极设置的灯为发射185nm(175～195nm波段)、254nm(244～264nm波段)宽波段的紫外线灯管，对泡沫陶瓷直接激发，使得本发明的光催化净化的装置能高效地处理和净化环境中的甲醛、臭氧，同时本发明的泡沫陶瓷通过三级复合梯级宽频谱高能反应激发臭氧，与水反应生成过氧化氢，进一步演化生成自由基HO·，能够高效地去除环境中的微生物和甲醛，其中，微生物包括细菌。
附图说明
图1为本发明光催化净化的装置的拆解照片；
图2为本发明光催化净化的装置在国家化学建材质量监督检验中心甲醛降解检测实验的报告照片；
图3为本发明光催化净化的装置在广州澳兰斯水处理设备有限公司的甲醛降解检测实验的报告照片；
图4为本发明光催化净化装置在工作电压12V时的降解臭氧的检测报告照片；
图5为本发明光催化净化装置在工作电压220V时的降解臭氧的检测报告照片；
图6为本发明光催化净化装置在不同电压、辐照强度时的臭氧去除条件和效果的检测报告照片；
图7为本发明光催化净化装置间接实验现场实测数据；
图8为本发明光催化净化装置直接杀菌具体检测结果。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
1.定义
术语“泡沫陶瓷”是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体，是具有高温特性的多孔材料，具有钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体造型；具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能，其孔径从纳米级到微米级不等，气孔率在20％～95％之间，使用温度为常温～1600℃。
术语“纳米水溶胶”，又称纳米二氧化钛水溶胶，具有良好的耐候性、耐用化学腐蚀性，抗紫外线能力强，透明性优异，粒度分布均匀，分散性好，可用于紫外线吸收剂、化妆品、透明性薄膜、包装材料、涂料、润滑剂、树脂油墨着色剂、精细陶瓷和催化剂等。
术语“超声波清洁(ultrasonic cleaning)”是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。
术语“泡沫陶瓷的表面改性”是使用低温等离子处理泡沫陶瓷，改变其表面的物理性质，使得表面分子排列发生变化，从圆形改性为扁平状，以扩大接触面和接收面。
术语“烧结”是指通过加热将涂覆于泡沫材料表面的纳米水溶胶固定于泡沫陶瓷表面和内部，使得纳米水溶胶能稳定发挥作用。
术语“紫外宽广谱”是指包含了185和254nm波长的紫外光的谱段，其能兼具去除臭氧和除菌的功效。
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本发明中所用的化学试剂均为分析纯，购自国药集团。
为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。本发明所述的实验方法，若无特殊说明，均为常规方法；所述的生物材料，若无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1本发明泡沫陶瓷的制备
1.1泡沫陶瓷基质的制备：聚酯海绵和Al2O3在1400℃的条件下煅烧成孔径为20～30ppm的泡沫陶瓷基质。当基质使用聚酯海绵进行煅烧制备，这种泡沫陶瓷基质经本发明后续方法制备的泡沫陶瓷可以适用于常温环境。
本发明还可以使用95瓷在1400℃的条件下煅烧2～5小时后得到的泡沫陶瓷基质。当基质使用95瓷进行煅烧制备，这种泡沫陶瓷基质经本发明后续方法制备的泡沫陶瓷可以适用于低温高湿环境。
1.2高温去除杂质：泡沫陶瓷基质在温度为450℃的条件下加热1小时。
1.3超声波清洁：将上述获得的经高温清洁的泡沫陶瓷使用低频超声波清洁泡沫陶瓷的内部孔隙，清洁30分钟。
1.4泡沫陶瓷的表面改性：将超声波清洁后的泡沫陶瓷用低温等离子处理，在360°全方位处理5-10分钟。
1.5纳米水溶胶涂附：使用35nm水溶胶浸润经低温等离子处理的泡沫陶瓷，待其干透后，再次浸润，重复3-5次，然后使用喷枪在360°全方位喷涂。
1.6烧结：将自然干燥的涂敷纳米水溶胶的泡沫陶瓷在450-650℃温度下烧结1～2小时，待自然降温后再次在450-650℃温度下烧结1～2小时，重复3-5次。
实施例2本发明用于光催化净化的泡沫陶瓷的甲醛降解实验
2.1光催化净化装置的制备
本发明实施例1制备的泡沫陶瓷与紫外光源配置成光催化净化装置，紫外光源可发射185nm和254nm紫外光，该波段的紫外光能直接激发泡沫陶瓷。在本实施例中泡沫陶瓷制成中空管状，套配在紫外光源外，如此紫外光源发射的185nm和254nm紫外光直接投射在泡沫陶瓷上。
2.2光催化净化装置的甲醛降解
将2.1制备的光催化净化装置放置于3立方米样品舱中，同时设置一对比舱，对比舱与样品舱具有同样的空间大小；检测方法为QB/T2761-2006室内空气净化产品净化效果测定方法。
对比舱没有放置任何净化样品，样品舱和对比舱中起始甲醛浓度一致，接通样品舱内光催化净化装置的电源，经过24h的降解时间，经检测，在对比舱中甲醛浓度仍为0.753mg/m3，样品舱中甲醛浓度为0.023mg/m3，本发明的光催化净化装置在3立方米的空间中经24小时的降解时间即能实现达96.9％的甲醛去除率。
上述甲醛降解检测在国家化学建材质量监督检验中心完成，检测报告中检测结果照片见图2。
2.3光催化净化装置的甲醛降解2
检测条件为放入30立方米的舱中，在实验舱内加入甲醛浓度为1±0.2ppm，测试24小时后实验舱内浓度为0.1mg/m3，去除率为90.1％。
上述甲醛降解检测在广州澳兰斯水处理设备有限公司完成，甲醛降解实验的报告照片见图3。
实施例3本发明用于光催化净化的泡沫陶瓷的除臭氧实验
3.1光催化净化装置的制备
按照实施例2.1的制备光催化净化装置，泡沫陶瓷规格：外径～3.9mm，长度～72mm；或外径～3.9mm，长度～82mm。
3.2光催化净化装置在电压12V时的臭氧去除
将3.1制备的一批光催化净化装置，在12V工作电压条件下通过比较通电2min前后臭氧浓度的变化，以检测对臭氧的去除程度。各检测项的检测仪器及检测方法：泡沫陶瓷外径、长度用游标卡尺检测，低压启动、输入电压和工作电流用GPS-303直流稳压源检测，紫外光源表面辐射强度用UV2000辐照计。
检测项和检测结果见表1：
表1本发明光催化净化装置在工作电压12V时的臭氧去除条件和效果
由表1可见，在工作电压为12V，工作电流为0.29A时，紫外灯表面辐射强度～4000UW/CN2的条件下，本发明外径～3.9mm，长度～72mm的泡沫陶瓷在2min的时间能使得臭氧浓度从90ppm降低至～5ppm。
上述检测在江苏欧姆朗光电科技有限公司检验完成，该检验报告单的照片见图4。
3.3光催化净化装置在电压220V时的臭氧去除
将3.1制备的另一批光催化净化装置，在220V工作电压条件下通过比较通电2min前后臭氧浓度的变化，以检测对臭氧的去除程度。各检测项的检测仪器及检测方法：泡沫陶瓷外径、长度用游标卡尺检测，低压启动、输入电压和工作电流用交流稳压源检测，紫外光源表面辐射强度用UV2000辐照计。
检测项和检测结果见表2：
表2本发明光催化净化装置在电压220V时的臭氧去除条件和效果
由表2可见，在工作电压为220V，工作电流为0.03A时，紫外灯表面辐射强度～4000UW/CN2的条件下，本发明外径～3.9mm，长度～82mm的泡沫陶瓷在2min的时间能使得臭氧浓度从90ppm降低至～5ppm。
上述检测在江苏欧姆朗光电科技有限公司检验完成，该检验报告单的照片见图5。
3.4光催化净化装置在不同工作电压、不同辐照强度时的臭氧去除
使用表1中组1的光催化净化装置在工作电压、不同辐照强度检测臭氧的去除，检测在光催化净化装置的紫外灯外没有套配泡沫陶瓷以及在光催化净化装置的紫外灯外套配泡沫陶瓷后2min的臭氧浓度，各检测项的检测仪器及检测方法同3.2。
检测项和检测结果见表3：
表3本发明光催化净化装置在不同电压、辐照强度时的臭氧去除条件和效果
由表3可见，在不同工作电压，不同辐照强度时，本发明的泡沫陶瓷在2min的时间能使得臭氧浓度快速降低。
上述检测在江苏欧姆朗光电科技有限公司检验完成，该检验报告单的照片见图6。
实施例4本发明用于光催化净化的泡沫陶瓷的微生物实验
4.1间接实验：光催化产生H2O2过氧化氢测试方式
测试环境：室内，面积20平方。
测试条件：温度27.1C、湿度67.1
检测仪：vaisala
过氧化氢、湿度和温度探头HPP270系列
测试目标：超过3PPM
室内空气中过氧化氢浓度达到3PPM即可达到空气中灭菌效果。
现场实测数据见图7。
测试结果：10分钟恒定数值为6-8PPM.
由图7和测试结果可见，本发明用于光催化净化的泡沫陶瓷能在运行10分钟后，对空气中病原(细菌和病毒)有效杀灭，可用与传染性病原(细菌和病毒)病区的杀灭。
4.2直接杀菌实验
检测方法：GB21551.3-2010家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能空气净化器的特殊要求
试验菌株：白色葡萄球菌8032、肺炎克雷伯式菌ATCC 4352
试验条件：环境温度20～25℃，环境湿度50～70％RH
试验设备：试验舱3m3、六级筛孔空气撞击式采样器(AF-1)、微生物气溶胶发生器、营养琼脂培养基
机器运行状态：试验过程开机的同时开启循环风扇
计算公式：
检测机构：广州中科检测技术服务用限公司
检测受理编号：JKK20020617
检测结果总汇见表4：
表4检测结果总汇
具体检测结果见图8。
由表4和图8结果可见，本发明用于光催化净化的泡沫陶瓷符合国家检测标准，能对细菌和病毒进行有效杀灭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种用于光催化净化的泡沫陶瓷的制备方法，其中，所述制备方法包括：
步骤(1)高温去除杂质：泡沫陶瓷基质在温度为350-550℃的条件下加热40～90分钟，得到经高温清洁的泡沫陶瓷；
步骤(2)超声波清洁：将所述步骤(1)获得的所述经高温清洁的泡沫陶瓷使用低频超声波清洁泡沫陶瓷的内部孔隙，清洁时间为20～60分钟，得到经超声波清洁的泡沫陶瓷；
步骤(3)泡沫陶瓷的表面改性：将所述步骤(2)得到的所述经超声波清洁的泡沫陶瓷用低温等离子处理，在360°全方位处理1～30分钟，得到经低温等离子处理的泡沫陶瓷；
步骤(4)纳米水溶胶涂覆：使用3～10nmTiO2纳米水溶胶浸润所述步骤(3)经低温等离子处理的泡沫陶瓷，待其干透后，再次浸润，所述纳米水溶胶涂覆过程为2～10次，然后使用喷枪在360°全方位喷涂所述3～10nmTiO2纳米水溶胶，得到涂覆纳米水溶胶的泡沫陶瓷；以及步骤(5)烧结：将自然干燥的所述步骤(4)涂覆纳米水溶胶的泡沫陶瓷在350～750℃温度下烧结1～2小时，待自然降温后再次在350～750℃温度下烧结1～2小时，所述烧结过程为2～6次，得到所述用于光催化净化的泡沫陶瓷。
2.根据根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(1)中的所述泡沫陶瓷基质为聚酯海绵和Al2O3在1400℃的条件下煅烧成孔径为20～30ppm的泡沫陶瓷基质。
3.根据根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(1)中的所述泡沫陶瓷基质为95瓷在1400℃的条件下煅烧2～5小时后得到的泡沫陶瓷基质。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(1)为所述泡沫陶瓷基质在温度为400～500℃的条件下加热50～70分钟。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述步骤(1)为所述泡沫陶瓷基质在温度为450℃的条件下加热60分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(2)中所述超声波清洁时间为30～50分钟。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述步骤(2)中所述超声波清洁时间为30分钟。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(3)中所述低温等离子处理5～10分钟。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(4)中所述纳米水溶胶为4～7nmTiO2纳米水溶胶，所述浸润次数为3～5次。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述步骤(4)中所述纳米水溶胶为5nm TiO2纳米水溶胶。
11.根据根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤(5)中所述烧结在450～650℃温度下进行，所述烧结过程为3～5次。
12.根据权利要求1～11任一项所述的制备方法制备的泡沫陶瓷。
13.一种用于光催化净化的装置，所述装置配置有一个或两个以上光催化净化模块，所述光催化净化模块包括光产生器，所述光产生器能产生175～195nm波段和244～264nm波段的紫外光，其中，所述光催化净化模块还包括权利要求12所述的泡沫陶瓷，所述光产生器设置于其产生的紫外光能直接激发所述的泡沫陶瓷的范围内。
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