CN114471579B - 一种臭氧催化剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种臭氧催化剂，包括载体和金属催化活性组分，金属活性组分负载在载体上；金属活性组分包括CuOX、ZnO、Fe2O3、Fe3O4和Fe的一种或者多种；x=1或者2；载体包括颗粒状活性炭、4A分子筛或者由铝粉烧结而成的铝质多孔状基体。在本发明中金属活性组分能够均匀、高负载量于载体表面，其为空气消毒器中的臭氧提供足够多的催化反应活性位点，催化臭氧产生大量氧化性更强的自由基，从而提高臭氧的氧化效率，最终提升臭氧对空气或者水中的细菌及病毒的消杀率。
Description
技术领域
本发明涉及一种对环境微生物进行消杀的臭氧催化剂及制备方法。
背景技术
目前在许多国家和地区，臭氧的应用极其广泛，其是世界公认的广谱、高效杀菌剂，能够有效的去除细菌和病毒。但是，臭氧在去除空气中致病细菌和病毒的过程中由于空气的流动速度较大，臭氧的浓度需求较高，导致在对空气消毒后有大量残余的臭氧没有被利用，从而，臭氧的利用率很低。传统的臭氧催化剂均是用于废水处理，催化剂的活性位点在催化剂载体上负载不均匀且负载量较低，使得臭氧的氧化作用得不到高效的利用，不适合用于空气消毒，因此导致臭氧对空气中细菌、病毒的去除率不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种臭氧氧化分解率高，对空气中的细菌或病毒消杀率高的臭氧催化剂及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种臭氧催化剂，包括载体和金属活性组分，所述金属活性组分负载在载体上；所述金属活性物质包括CuOX、ZnO、Fe2O3、Fe3O4和中Fe的一种或者多种；x=1或者2；载体包括颗粒状活性炭、4A分子筛或者由铝粉烧结而成的铝质多孔状基体。
上述的臭氧催化剂，优选的，所述铝质多孔状基体包括连接网和微米级或/和毫米级铝粉，所述微米级或/和毫米级铝粉烧结在连接网上，所述微米级或/和毫米级铝粉烧结在连接网后形成大量通孔。
上述的臭氧催化剂，优选的，所述铝质多孔状基体呈板状，厚度为2-5 mm。
上述的臭氧催化剂，优选的，所述金属活性物质烧结在铝质多孔状基体的表面。
一种臭氧催化剂的制备方法，包括以下步骤，
1）铝质多孔状基体的制备，将微米级或/和毫米级铝粉加入到溶剂中分散均匀；
向步骤/>中分散液加入粘接剂，加入粘接剂后铝粉的质量占比为50-85%；
将步骤/>的铝粉浆料涂覆到连接网上后加热固化；
将步骤/>固化后的铝粉浆料进行烧结，形成铝质多孔状基体；
2）将铝质多孔状基体浸渍在活性物质前驱体中1-60 min后固液分离；
3）将完成步骤1）的铝质多孔状基体在600-659℃的温度下保温1-120 min；
4）清洗后烘干成型为臭氧杀菌催化剂。
上述的臭氧催化剂的制备方法，优选的，所述步骤1）中的烧结包括以下步骤；第一阶段，将温度升到80-150℃，并且保温20 min；第二阶段，在12 h内将温度缓慢升到500-550℃，升温的速度需在1℃/min以内，并且在500-550℃的温度下保温1-2 h；第三阶段，将温度升高到630-659℃，烧结3-10 h。
上述的臭氧催化剂的制备方法，优选的，所述活性物质前驱体包括质量浓度为2-6%的FeCl3溶液，质量浓度为2-6%的ZnCO3悬浮液或者质量浓度为2-6%的CuCO3悬浮液。
一种臭氧催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1）将活性炭颗粒或者4A分子筛浸渍在活性物质前驱体中12 h以上，在浸渍的过程中保持震荡；
2）将步骤1）中活性炭颗粒过滤后在60-100℃的条件下烘干固化；
3）将步骤2）的活性炭颗粒在真空或者惰性气体的保护下煅烧4-6 h，煅烧温度为450-600℃；
4）将步骤3）的活性炭颗粒加入到粘结剂中混合均匀，然后均匀的涂覆在网格状基体上；
5）将网格状基体上的活性炭颗粒烘干使得活性炭颗粒粘结在网格状基体上。
上述的臭氧催化剂的制备方法，优选的，所述步骤1）中活性炭颗粒或者4A分子筛的重量为活性物质前驱体溶液质量的10%及以下。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在本发明中金属活性组分能够均匀、高负载量在活性炭颗粒上，其为空气消毒器中的臭氧提供足够多的催化反应活性位点，产生大量氧化性更强的自由基，从而提高臭氧的氧化效率，最终提升臭氧对空气中的细菌或病毒的消杀率。
附图说明
图1为实施例1中网格状基体的结构示意图。
图2为实施例1中空气消毒器的气流通道结构示意图。
1、网格片；2、臭氧催化剂；3、臭氧发生器。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1
一种对空气中细菌进行消杀的臭氧催化剂，设置在空气消毒器中，包括网格状基体、粘结剂和活性物质，活性物质通过粘结剂固定在网格状基体上，活性物质包括活性炭颗粒和金属活性物质，金属活性物质负载在活性炭颗粒上。在本实施例中，金属活性物质为CuOX和ZnO的复合物，x=1或者2。
在本实施例中，如图1所示，网格状基体的网格片倾斜设置，倾斜的角度为45°。网格状基体的厚度为20 mm，在网格状基体上网格片倾斜设置，使得在空气消毒器中的空气流经网格状基体时，空气流均会经过网格片上的活性物质。
本实施例还提供一种臭氧催化剂的制备方法，包括以下方法，
首先将活性炭颗粒在0.05 mol/L HCl中超声振荡0.5-1 h，进行洗涤后在0.05mol/L NaOH超声振荡0.5-1 h后洗涤到洗涤液为中性。
1）将活性炭颗粒浸渍在质量浓度均为2%的ZnCO3和CuCO3的混合悬浮液中 12 h以上，在浸渍的过程中保持震荡；在悬浮溶液中加入的活性炭颗粒的质量为ZnCO3和CuCO3溶液总质量的3%。
2）将步骤1）中活性炭颗粒过滤后在80℃的条件下烘干固化；
3）将步骤2）的活性炭颗粒在真空或者惰性气体的保护下煅烧4-6 h，煅烧温度为500℃；
4）将步骤3）的活性炭颗粒加入到粘结剂中混合均匀，然后均匀的涂覆在网格状基体上；
5）将网格状基体上的活性炭颗粒烘干使得活性炭颗粒通过粘结剂粘结在网格状基体的网格片上。粘结在网格片上的活性碳颗粒的厚度在1.5-2 mm以上。
在本实施例中，CuOX和ZnO能够均匀的附着在活性炭颗粒上，由于活性炭颗粒的多孔结构，并且表面积大，CuOX和ZnO容易负载在活性炭颗粒上。在活性炭颗粒上能够负载足够多的CuOX和ZnO，给臭氧提供了足够多的反应活性位点。活性炭颗粒的多孔结构能够有效的吸附气流中的细菌和病毒，而活性炭颗粒上的CuOX和ZnO给臭氧提供了足够多的反应活性位点，臭氧在活性炭颗粒上被催化氧化，从而对细菌和病毒进行消杀。
如图2所示，在空气消毒器中有一条1.5米长的气流通道；在1.5米长的气流通道内设置有3块本实施例的臭氧催化剂，在气流通道的首端设置有臭氧发生器。将空气消毒器放置到30平米的室内密闭空间内进行细菌的消杀，检测了白色葡萄球菌的杀灭效果，结果分别如下表所示。
从上表可以看出，经过90 min后，采用本实施例臭氧催化剂的空气消毒器能够完全消杀白色葡萄球菌。
实施例2
一种用于对污水进行处理的臭氧催化剂，包括载体和金属活性物质，金属活性物质为Fe2O3和Fe3O4的复合材料，载体为铝质多孔状基体；这种铝制多孔状基体由微米级和毫米级铝粉烧结在铝制连接网上而形成，连接网主要是起到支架的作用，用来提高载体的强度，连接网可以是铝线相互连接形成的铝网。
在本实施例中，铝制多孔状基体中，毫米级铝粉的粒径不超过2 mm，微米级铝粉的粒径在100 μm以上，毫米级铝粉和微米级铝粉的质重量比在1:2-2:1之间。铝粉烧结在连接网上后形成板状，厚度为5 mm左右。在铝粉的表面负载有Fe2O3和Fe3O4的复合材料。
本实施例的用于对污水进行处理的臭氧催化剂的制备方法，包括以下步骤，
1）铝质多孔状基体的制备，将微米级和毫米级铝粉加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中分散均匀；
向步骤/>中分散液加入粘接剂，加入粘接剂后铝粉的质量占比为50-85%；粘接剂采用聚乙烯醇树脂；在其他实施例中，粘接剂还可以采用聚酯树脂、环氧树脂或者酚醛树脂。
将步骤/>的铝粉浆料涂覆到连接网上后加热固化；
将步骤/>固化后的铝粉浆料进行烧结，形成铝质多孔状基体。
步骤1）中的烧结包括以下步骤；第一阶段，将温度升到80-150℃，并且保温20min；第二阶段，在12 h内将温度缓慢升到500-550℃，升温的速度需在1℃/min以内，并且在500-550℃的温度下保温1-2 h；第三阶段，将温度升高到630-659℃，烧结3-10 h。
烧结完成后，铝粉颗粒粘结在一起，形成具有多孔状基体；空气或者水均可以轻易的穿过铝粉颗粒之间的间隙。
2）将铝质多孔状基体浸渍在质量浓度为5%的FeCl3溶液中5 min后固液分离；
3）将完成步骤1）的铝质多孔状基体在600-659℃的温度下保温1-120 min；
4）清洗后烘干成型为臭氧杀菌催化剂。
在本实施例中，当铝质多孔状基体浸渍到FeCl3溶液的时候，可以加热，但是加热的温度不能超过80℃。铝质多孔状基体在FeCl3溶液发生置换反应，在铝粉颗粒的表面会有置换出来的Fe2+和Fe，但是参与置换反应的铝就会变成铝离子，而铝离子水解，会产生偏铝酸根离子，在于Fe2+和Fe3+结合后就会产生Fe(OH)2和Fe(OH)3的沉淀。在烧结的时候，Fe(OH)3变成了Fe2O3；而Fe(OH)2脱水后会变成FeO，在烧结的时候FeO与空气接触从而变成了Fe3O4。
在本实施例中，步骤3）中的温度为600-659℃，此时铝粉即将融化，附着在铝粉表面的Fe2O3和Fe3O4就会很牢固的连接铝粉颗粒上，并且在在铝粉颗粒上形成很多纳米级的凸起，这些凸起实际上就是Fe2O3和Fe3O4颗粒，这些凸起就形成了臭氧反应的活性位点。
用本实施例制备的臭氧催化剂进行COD去除试验，以印染废水作为试验用水。原水中COD含量为185.2 mg/L，通入臭氧20 min后，COD的浓度为45.6 mg/L，去除率达到75.4%，而市场上商用催化剂，同等条件下COD的去除不超过50%。
本实施例的臭氧催化剂在使用24 h后，在pH大于5的有机酸中清洗，烘干后可重复使用，进行实施例1相同的COD去除实验，COD的去除率仍然达到70%以上。
Claims (2)
1.一种臭氧催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）铝质多孔状基体的制备，①将微米级或/和毫米级铝粉加入到溶剂中搅拌，使其分散均匀；
②向步骤①中分散液加入粘接剂，加入粘接剂后铝粉的质量占比为50-85%；
③将步骤②的铝粉浆料涂覆到连接网上后加热固化；
④将步骤③固化后的铝粉浆料进行烧结，形成铝质多孔状基体；
2）将铝质多孔状基体浸渍在活性物质前驱体中1-60 min后固液分离；
3）将完成步骤1）的铝质多孔状基体在600-659℃的温度下保温1-120 min；
4）清洗后烘干成型为臭氧催化剂；
所述活性物质前驱体包括质量浓度为2-6%的FeCl3溶液。
2.根据权利要求1所述的臭氧催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的烧结包括以下步骤；第一阶段，将温度升到80-150℃，并且保温20 min；第二阶段，在12 h内将温度缓慢升到500-550℃，升温的速度需在1℃/min以内，并且在500-550℃的温度下保温1-2 h；第三阶段，将温度升高到630-659℃，烧结3-10 h。
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