CN114471488A - 一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法和应用，属于材料技术领域。制备方法包括如下步骤：将聚乙烯亚胺与尿素晶体溶解于水中，得澄清溶液，继续加热搅拌，得混合溶液，将经马弗炉煅烧的活性炭加入到混合溶液中，搅拌，过滤，烘干，得到改性活性炭。本发明制备的改性活性炭，不但能够促进活性炭吸附甲醛反应正向进行，缩短吸附反应时间，而且能够显著降低反应产物的分解现象，避免释放出甲醛气体，具有成本低、操作简单、绿色环保、节约成本、吸附甲醛能力强等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法和应用。
背景技术
室内空气净化对人类健康至关重要，因为目前人们80％以上的时间都花在家里、办公室和汽车上。挥发性有机化合物是最常见的室内空气污染物之一。有机化合物中甲醛(HCHO)广泛来自油漆、人造板、强化地板、家具等室内装饰材料，被认为是造成室内空气污染的罪魁祸首。高浓度的甲醛对人体的神经系统、呼吸系统和免疫系统有深远的影响。长期暴露于含甲醛的室内空气中，即使在一个小时内也会对人体健康产生不利影响
活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附气相、液相中的多种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的。
目前国内研究方向主要以某种银离子的催化剂物质为主，经过喷洒后在家具表面形成保护膜，或以高烈度反应迅速降解甲醛。这个方向效果很好，但是由于银离子属于重金属，特别是游离在空气中的银离子少量还可以，一旦超过某个安全限度将引起严重后果。与此同时这种银离子催化剂的成本高昂，就目前售卖的商品价格来看，处理一个六十平方米的房间需要使用成本不下300元，而且一次除不尽。因此亟待研发出低烈度，挥发的某些化学药品对甲醛进行降解，尽量避免对人体造成伤害。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法和应用，该方法简单，成本低，易操作，并且在解决室内甲醛污染中具有突出有效作用。
本发明采用的技术方案为：一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，包括如下步骤：
1)将聚乙烯亚胺与尿素晶体加入蒸馏水中，充分搅拌溶解，得到混合溶液A；
2)将步骤1)所得的混合溶液A加热，同时继续搅拌，得到混合溶液B；
3)将活性炭包裹在铝箔中，放进马弗炉内加热；
4)将步骤3)所得的活性炭加入到步骤2)所得的混合溶液B中，持续搅拌，得到混合溶液C；
5)将步骤4)所得的混合溶液C过滤，在烘箱中空气环境下进行烘干，得到改性活性炭。
进一步的，上述制备方法，步骤1)中，按质量比，聚乙烯亚胺:尿素＝5:0～1。
进一步的，上述制备方法，步骤1)中，所述聚乙烯亚胺的相对分子质量为600～70000。
进一步的，上述制备方法，步骤2)中，所述加热温度为50℃。
进一步的，上述制备方法，步骤2)中，所述搅拌时间为2小时。
进一步的，上述制备方法，步骤3)中，所述加热温度为400℃，加热时间为8小时。
进一步的，上述制备方法，步骤4)中，所述搅拌时间为3天。
进一步的，上述制备方法，步骤5)中，所述烘干温度为180℃，烘干时间为12小时。
本发明提供的制备方法制备的改性活性炭在吸附甲醛污染物中的应用。
本发明的有益效果为：
1、本发明的制备方法，由聚乙烯亚胺，尿素和活性炭合成的改性活性炭，结构稳定，具有较高的光吸附活性。
2、本发明的制备方法，生产成本低廉，材料易取且成本低，方法简单，便于大规模生产。
3、本发明的制备方法，整个生产流程无工业废气，废水可循环利用，环境友好，产率高。
4、本发明采用尿素、聚乙烯亚胺改性的活性炭，不但能够促进吸附反应进行，提高反应速率和限度，而且能够显著降低反应产物分解的现象。本发明工艺流程简单易行，且在甲醛污染控制方面具有独特的优势，成本低、操作简单、绿色环保、原料便宜、甲醛污染物反应不可逆、避免二次污染。
附图说明
图1为采用酚试剂分光光度法表征甲醛浓度与吸光度对应关系图。
图2为本发明Eschweiler–Clarke反应的反应机理图。
图3为改性活性炭吸附甲醛前后的吸光度谱图。
图4为只附着聚乙烯亚胺的活性炭吸附甲醛前后的吸光度谱图。
图5为只附着尿素的活性炭吸附甲醛前后的吸光度谱图。
图6为活性炭吸附甲醛前后的吸光度谱图。
具体实施方式
实施例1制备
(一)超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备
1)将2.5g相对分子质量为600的聚乙烯亚胺和0.5g尿素晶体溶于50mL蒸馏水中，搅拌0.5h，混合均匀，得到混合溶液A；
2)将步骤1)所得的混合溶液A在50℃下加热，同时搅拌2h，搅拌均匀，得到混合溶液B；
3)将活性炭包裹在铝箔中，放进马弗炉内于400℃下加热8h；
4)将步骤3)所得的活性炭加入到步骤2)所得的混合溶液B中，持续搅拌3d，得到混合溶液C；
5)将步骤4)所得溶液过滤，在烘箱中空气环境下180℃进行烘干12小时，得改性活性炭。
(二)只附着聚乙烯亚胺的活性炭的的制备
1)将2.5g相对分子质量为600的聚乙烯亚胺溶于50mL蒸馏水中，搅拌0.5h，混合均匀，得到混合溶液A；
2)按照(一)中的步骤2)-5)，制备只附着聚乙烯亚胺的活性炭。
(三)只附着尿素的活性炭的的制备
1)将0.5g尿素晶体溶于50mL蒸馏水中，搅拌0.5h，混合均匀，得到混合溶液A；
2)按照(一)中的步骤2)-5)，制备只附着尿素的活性炭。
实施例2应用
1)把5层医用脱脂纱布(长17cm、宽5cm)卷在玻璃棒(玻璃棒规格：长30cm、直径5mm)上，用棉线固定；
2)取质量分数为0.2％的甲醛溶液0.2mL，将其滴加在卷在玻璃棒上的纱布上，立即投入体积为1.6m3的空气仓中，打开空气仓内的电扇，称取5g实施例1(一)制备的改性活性炭，放于圆形培养皿中均匀铺开，放入空气仓内，反应前以及18h后使用甲醛分光光度法测量两次空气仓内甲醛的浓度变化。
3)分别称取5g活性炭和实施例1制备的只附着聚乙烯亚胺的活性炭、只附着尿素的活性炭，按照实施例2步骤1)-2)进行应用实验，分别测定反应前以及18h后使用甲醛分光光度法测量两次空气仓内甲醛的浓度变化。
4)检测
图1为采用酚试剂分光光度法表征甲醛浓度与吸光度对应关系图，从而得到甲醛浓度计算式：c＝0.322A-0.0135
式中：c表示甲醛浓度，μg/L，A表示吸光度。
图2为本发明Eschweiler–Clarke反应的反应机理图，表征本发明依据和工作的原理。该反应的反应机理主要是打开甲醛分子上的碳氧双键，使氨基的氮原子和碳原子中间形成新的化学键。同样的道理，把甲醛分子换成尿素分子，尿素分子的碳氧双键也可以和高分子上的氨基形成碳氮单键使得尿素分子附着在高分子上使得每个单位上的分子增加到两个氨基。而高分子又可以有效附着在活性炭上。从而提高整体吸附效率。
图3-图6分别为改性活性炭、只附着聚乙烯亚胺的活性炭、只附着尿素的活性炭和活性炭吸附甲醛前后的吸光度谱图。从图中结果分析，聚乙烯亚胺对活性炭吸附甲醛的性能有所提高；与尿素反应后的聚乙烯亚胺分子反应活性显著上升，改性活性炭吸附甲醛的性能更好；只附着尿素的活性炭反应后吸光度有所上升，说明尿素分子本身具有挥发性，对实验结果干扰显著。有机化合物中的氨基可以在适当条件下与空气中的甲醛发生一定程度的化学反应。利用有机化合物中的氨基与甲醛的碳氧双键的化学反应和活性炭的物理性质能吸附并反应掉甲醛。有机物中氨基与甲醛双键发生可逆或不可逆的某种化学反应，进而能得到甲醛吸附速率和限度的提升。
在空气中长时间放置的活性碳样本经过在400℃下煅烧8小时后，比表面积经过bet测量数据如下。
表7活性炭原始的bet测量报告
| 序号 | Pd | Pcd | P/P<sub>0</sub> | V | 1/[V(P<sub>0</sub>/P-1)] |
| 1 | 16.63743 | 6.79460 | 0.06617 | 3.92976 | 0.01803 |
| 2 | 22.65272 | 13.92000 | 0.13557 | 4.41180 | 0.03555 |
| 3 | 28.78572 | 20.57862 | 0.20042 | 4.96767 | 0.05046 |
| 4 | 36.01665 | 27.48687 | 0.26770 | 5.57723 | 0.06555 |
| 斜率 | 截距 | Vm | C | Cc | 比表面积(m<sup>2</sup>/g) |
| 0.23526 | 0.00300 | 4.19713 | 79.47886 | 0.99960 | 18.29949 |
Claims (9)
1.一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
1)将聚乙烯亚胺与尿素晶体加入蒸馏水中，充分搅拌溶解，得到混合溶液A；
2)将步骤1)所得的混合溶液A加热，同时继续搅拌，得到混合溶液B；
3)将活性炭包裹在铝箔中，放进马弗炉内加热；
4)将步骤3)所得的活性炭加入到步骤2)所得的混合溶液B中，持续搅拌，得到混合溶液C；
5)将步骤4)所得的混合溶液C过滤，在烘箱中空气环境下进行烘干，得到改性活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤1)中，按质量比，聚乙烯亚胺:尿素＝5:0～1。
3.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述聚乙烯亚胺的相对分子质量为600～70000。
4.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述加热温度为50℃。
5.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述搅拌时间为2小时。
6.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述加热温度为400℃，加热时间为8小时。
7.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述搅拌时间为3天。
8.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述烘干温度为180℃，烘干时间为12小时。
9.根据权利要求1所述的一种超高甲醛吸附能力的改性活性炭的制备方法制备的改性活性炭在吸附甲醛污染物中的应用。
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