CN114836174A - 一种具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法，该抑尘剂以来源广泛、绿色无毒且易降解的天然多亲水基团材料作为抑尘剂的合成基体材料，通过与成膜剂及吸湿剂在交联剂作用下进行交联反应，形成富含亲水基团且具有网状结构的兼具润湿、固结、凝聚性能的抑尘剂，将所制备抑尘剂与经偶联剂改性的纳米TiO2进行偶联接枝反应，使得纳米TiO2负载于所制备的抑尘剂上，最终制得具备光催化降解功能的抑尘剂，本发明抑尘剂绿色环保易降解、抑尘性能优异、应用简单、适用范围广，且具备光催化降解功能，能应用在大气降尘、施工作业面抑尘、物料堆抑尘、道路运输抑尘、土壤固沙中，本发明的应用对环境空气质量改善具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于环境功能材料领域，具体涉及一种具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法及应用。
技术背景
近年来，PM10、PM2.5、雾霾等受到人们的关注，大气中的颗粒物含量居高不下，不仅造成了空气质量恶化，诱发人体呼吸道疾病，一些化工加工过程所产生的粉尘颗粒物还可能伴随有许多有机污染物质，对人体的健康造成严重威胁，因此人们对大气环境质量改善的需求愈发迫切。大气中的颗粒物主要来源于各种生产生活活动或自然活动所产生扬尘、主要来源于矿石的露天开采加工、露天场地的施工、砂石煤的运输、矿石堆场物料的风蚀等，此外城市地区裸露的地面或是沙漠地区在强风作用下也会引发严重的扬尘污染现象。
空气中的高浓度的微细颗粒物，还可能成为细菌病毒传播的“帮凶”，有研究人员发现，空气当中的颗粒物能够成为病毒、细菌的传播介质，一些细菌或病毒也能以气溶胶的形式在空气中长时间存活并广泛传播，而气溶胶正是由悬浮在空气中的固态或液态颗粒所组成，粒径多在0.01~10μm之间，极易通过呼吸系统进入人体。因此，空气中漂浮的粉尘颗粒极有可能成为病毒传播的介质。如能采取一定措施，既限制空气中的颗粒物扩散，同时降解颗粒物上携带的细菌或病毒，无疑对环境空气质量改善具有重要意义。
现行扬尘治理手段主要有水雾降尘、抑尘网抑尘及化学抑尘剂抑尘三类。其中化学抑尘剂抑尘法被认为是解决扬尘问题最有效的一种方法，其机理主要是对颗粒物的润湿、凝并、固结三种作用。相比以上两种方法，化学抑尘剂抑尘法在抑尘效果、抑尘时间、抑尘成本及适用场景等方面都更有优势。而目前的消毒技术主要有紫外线消毒、化学消毒剂消毒、臭氧消毒及光催化消毒等，其中光催化技术能够利用具有光活性的氧化物在紫外线的照射下产生具有强氧化性的羟基自由基等活性成分，破坏生物细胞结构，从而达到杀菌消毒的目的，光催化技术在众多消毒技术中对环境最为友好，无二次污染。因此，如能使化学抑尘技术与光催化技术相结合，将有望实现环境空气质量改善，然而，目前尚无相关的研究报道。
发明内容
本发明提供一种具备光催化功能的湿凝型抑尘剂的制备方法，本发明所制备的抑尘剂在拥有良好抑尘性能的同时，也具备良好的光催化降解性能，能够对悬浮于空气中的颗粒物进行高效捕集沉降并在可见紫外光照下降解颗粒物上所携带的有机污染物或细菌病毒。
本发明为达到上述目的，采用如下的技术方案：
（1）将天然多亲水基团材料加入水中，搅拌至材料完全溶解，将溶液温度升高至40~50℃，缓慢加入天然多亲水基团材料质量35~70%的吸湿剂、天然多亲水基团材料质量25~35%的成膜剂、天然多亲水基团材料质量1~2%的交联剂；然后在40~50℃、150~200rpm、氮气气氛下反应1~2h，反应结束后调节反应物pH至7-8，反应物烘干后收集固体产物，用无水乙醇洗涤固体产物3~4次，干燥至恒重制得抑尘剂基体材料；
所述天然多亲水基团材料为海藻酸钠、木质素磺酸钠中的一种；吸湿剂为甘油、丙二醇、丁二醇、山梨糖醇中的一种；成膜剂为聚乙烯醇、可溶性淀粉中的一种；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；
（2）在乙醇-水溶液中添加纳米TiO2、分散剂、偶联剂后，用高速剪切仪剪切5~10min，然后在60~70℃、150~200rpm下反应0.5~1h，制得光催化整理液，其中纳米TiO2的添加量为天然多亲水基团材料质量的15~25%，分散剂的添加量为天然多亲水基团材料质量的0.25~0.35%，偶联剂的添加量为天然多亲水基团材料质量的1~2%；
所述乙醇-水溶液是无水乙醇与水按体积比8~10:1的比例混合制的，分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠中的一种；偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种；
（3）将抑尘剂基体材料加入光催化整理液中，在60~70℃、150~200rpm下反应16~24h，反应完成后，反应物烘干处理并收集固体产物，用无水乙醇洗涤固体产物3~4次，干燥至恒重后即得具备光催化降解功能的抑尘剂。
本发明另一目的是将上述方法制得的具备光催化降解功能的抑尘剂应用在大气降尘、施工作业面抑尘、物料堆抑尘、道路运输抑尘、土壤固沙中；
本发明抑尘剂在一定的太阳紫外线强度（20μw/m2~100μw/m2）条件下使用时，将能够通过所负载的纳米TiO2光催化降解颗粒物上所携带的细菌、病毒等污染物；在实际应用时，将抑尘剂按一定比例加水溶解，稀释，通过雾化喷淋装置进行喷洒抑尘/降尘；
在实际应用时，可向已稀释完毕的抑尘剂溶液中加入一定量表面活性剂，调控抑尘剂溶液的润湿性，或加入一定量的粘结剂，调控抑尘剂溶液的固结性能；表面活性剂或粘结剂的添加量为抑尘剂质量的5%~10%。
所述表面活性剂为天然皂苷或十二烷基甜菜碱；
所述粘结剂为瓜儿胶或黄原胶。
所述抑尘剂:水的质量比1:10~30。
本发明以天然多亲水基团材料作为抑尘剂的合成基体材料，这些材料均来源广泛、绿色无毒且易降解，富含羟基、羧基及磺酸基等亲水基团，具有较强的亲水性且易形成稳定的氢键网络，通过与成膜剂及吸湿剂进行交联反应，形成富含亲水基团且具有网状结构的抑尘剂基体材料。该抑尘剂分子链上的大量亲水基团在接触水分子后，会电离出离子基团，具备网状结构的分子链将因电荷之间的静电斥力而溶胀，并且由于分子内外离子产生的反渗透压作用，水分子被进一步截留在抑尘剂分子内部网状结构之中，因而该抑尘剂具有极强的吸湿保水性。在与粉尘颗粒物接触后，该抑尘剂能够使颗粒物被快速润湿并长久保湿，吸收了大量水分子的颗粒物间会通过水分子的架桥作用而凝聚成大颗粒而沉降，同时，具有一定粘度的抑尘剂将使沉降后的颗粒物粘结在一起并在水分蒸发后形成一层稳定的固结层，从而抑制已沉降的粉尘颗粒物再度扬起。因此本发明所制备的抑尘剂具有极强的抑尘性能。
在此基础上，由于纳米TiO2粒子表面极性很强，具有极高的表面能，易与水分子作用而使其表面带有羟基，而硅烷偶联剂是一种具有烯烃双键且性能优良的偶联剂，其与硅原子连接的烷氧基可与纳米 TiO2 表面吸附羟基反应生成 Si-O-Ti 共价键，并牢固地结合在纳米TiO2的表面，而硅烷偶联剂另一端的有机官能团对有机物具有反应性或相容性，因而硅烷偶联剂能够在纳米TiO2与抑尘剂之间形成结合层。因此，通过将所制备的抑尘剂基体材料与经偶联剂改性的纳米TiO2进行偶联接枝反应，将能使得使得纳米TiO2粒子均匀负载于抑尘剂上，使所制备抑尘剂具备光催化降解性能；从而使得纳米TiO2负载于抑尘剂之上，最终制备出一种具备光催化降解功能的高性能环保抑尘剂，能够用于抑制颗粒物向大气中弥散并在一定的紫外线强度下降解颗粒物上的有机污染物或细菌病毒。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
（1）本发明所使用的材料均为无毒、无害、无腐蚀性且易降解的物质，使得所制备抑尘剂绿色环保，不会对环境造成二次污染，亦不会影响到人体的健康；
（2）本发明所制备的抑尘剂及其应用过程中所使用的材料常态下为粉末状固体，便于储存及运输；材料水溶性良好，冷水即溶，在应用时只需加水溶解稀释后配合雾化喷淋设备进行喷洒，应用简洁高效；
（3）本发明所制备抑尘剂，富含大量亲水基团，具备稳定的氢键网络结构、具有极强的润湿性、保水性、粘结性、成膜性，对于悬浮于空气中的粒径在0.1μm~1000μm范围的颗粒物均有良好的捕集沉降效果；
（4）本发明所制备抑尘剂可通过调控加水稀释比例、添加表面活性剂及粘结剂的方式使抑尘剂能够适用于不同的应用场景、环境条件及天气情况；
（5）本发明将光催化材料通过偶联改性、接枝的方式负载于抑尘剂上，使得抑尘剂兼具抑尘功能及光催化降解功能，能够实现抑制粉尘颗粒物在空气中弥散的同时，降解颗粒物上携带的有机污染物或细菌病毒。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：
将60kg海藻酸钠加入盛有200L水的反应釜内，搅拌至海藻酸钠完全溶解，调节反应釜温度至50℃，缓慢加入21kg甘油和15kg聚乙烯醇，搅拌至完全溶解后加入0.6kgN,N-亚甲基双丙烯酰胺，维持反应釜温度为50℃，搅拌速率150rpm，向反应釜内通入氮气，反应2h，反应结束后用HCl调节溶液pH至7，将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次，烘干至恒重后即得富含亲水基团且具有网状结构的抑尘剂基体材料，收集材料密封备用;
向反应釜内加入180L无水乙醇与20L水制成乙醇-水溶液，随后加入10kg的纳米TiO2粉末、1kg的KH-550硅烷偶联剂及0.2kg三聚磷酸钠，用高速剪切仪剪切溶液10min，然后调节反应釜温度至70℃，搅拌速率150rpm，反应30min，制得光催化整理液；将抑尘剂基体材料加入光催化整理液内，调节反应釜温度70℃，以150rpm搅拌速率反应20h，反应完成后将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次、干燥至恒重后，即制得具备光催化降解功能的抑尘剂98kg。
实施例2：
将50kg木质素磺酸钠加入盛有160L水的反应釜内，搅拌至木质素磺酸钠完全溶解，调节反应釜温度至40℃，缓慢加入25kg丙二醇和15kg可溶性淀粉，搅拌至完全溶解后加入0.75kgN,N-亚甲基双丙烯酰胺，维持反应釜温度为40℃，搅拌速率170rpm，向反应釜内通入氮气，反应1h，反应结束后用HCl调节溶液pH至7，将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次，烘干至恒重后即制得富含亲水基团且具有网状结构的抑尘剂基体材料，收集材料密封备用；
向反应釜内加入144L无水乙醇与16L水制成乙醇-水溶液，随后加入10kg的纳米TiO2粉末、0.75kg的KH-560硅烷偶联剂及0.15kg三聚磷酸钠，用高速剪切仪剪切溶液5min，然后调节反应釜温度至65℃，搅拌速率150rpm，反应30min，制得光催化整理液；将抑尘剂基体材料加入光催化整理液内，调节反应釜温度65℃，以200rpm搅拌速率反应16h，反应完成后将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次、干燥至恒重后，即制得具备光催化降解功能的抑尘剂90kg。
实施例3：
将40kg海藻酸钠加入盛有120L水的反应釜内，搅拌至海藻酸钠完全溶解，调节反应釜温度至45℃，缓慢加入26kg丁二醇和14kg聚乙烯醇，搅拌至完全溶解后加入0.8kgN,N-亚甲基双丙烯酰胺，维持反应釜温度为45℃，搅拌速率200rpm，向反应釜内通入氮气，反应2h，反应结束后用HCl调节溶液pH至7.5，将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次，烘干至恒重后即制得富含亲水基团且具有网状结构的抑尘剂基体材料，收集材料密封备用；
向反应釜内加入120L无水乙醇与12L水制成乙醇-水溶液，随后加入10kg的纳米TiO2粉末、0.8kg的KH-570硅烷偶联剂及0.14kg六偏磷酸钠，用高速剪切仪剪切溶液8min，然后调节反应釜温度至60℃，搅拌速率200rpm，反应1h，制得光催化整理液；将抑尘剂基体材料加入光催化整理液内，调节反应釜温度65℃，以150rpm搅拌速率反应18h，反应完成后将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次、干燥至恒重后，即制得具备光催化降解功能的抑尘剂95kg。
实施例4：
将45kg木质素磺酸钠加入盛有130L水的反应釜内，搅拌至木质素磺酸钠完全溶解，调节反应釜温度至50℃，缓慢加入18kg山梨糖醇和14kg可溶性淀粉，搅拌至完全溶解后加入0.45kgN,N-亚甲基双丙烯酰胺，维持反应釜温度为50℃，搅拌速率200rpm，向反应釜内通入氮气，反应1.5h，反应结束后用HCl调节溶液pH至7，将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次，烘干至恒重后即制得富含亲水基团且具有网状结构的抑尘剂基体材料，收集材料密封备用；
向反应釜内加入120L无水乙醇与15L水制成乙醇-水溶液，随后加入9kg的纳米TiO2粉末、0.7kg的KH-550硅烷偶联剂及0.14kg六偏磷酸钠，用高速剪切仪剪切溶液10min，然后调节反应釜温度至65℃，搅拌速率200rpm，反应1h，制得光催化整理液；将抑尘剂基体材料加入光催化整理液内，调节反应釜温度70℃，以150rpm搅拌速率反应16h，反应完成后将溶液烘干收集固体产物，用无水乙醇洗涤产物3次、干燥至恒重后，即制得具备光催化降解功能的抑尘剂96kg。
实施例5：实施例1-4制得的具备光催化降解功能的抑尘剂的应用
将实施例1-4所制备的抑尘剂应用于某焦化厂，厂区大气颗粒物来源主要为煤粉堆场、堆取料车间、炼焦车间，厂区运输主干道等区域，包括总悬浮颗粒物（TSP）、PM10、PM2.5及各类饱和烃、芳烃等有机污染物，各区域均已安设雾化喷淋装置。经测定，各区域PM10、PM2.5、有机污染物24h平均质量浓度情况见表1。
表1 某焦化厂大气颗粒物24h平均质量浓度
将实施例1~4抑尘剂分别分装入上述各区域内的雾化喷淋装置的储液罐内，进行喷洒抑尘。其中，实施例1抑尘剂应用于堆取料车间，实施例2抑尘剂应用于煤粉堆场，实施例3抑尘剂应用于厂区运输主干道，实施例4抑尘剂应用于炼焦车间，抑尘剂性能指标、应用条件及效果见表2；
表2 抑尘剂性能指标及应用效果表
Claims (8)
1.一种具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）将天然多亲水基团材料加入水中，搅拌至材料完全溶解，将溶液温度升高至40~50℃，缓慢加入天然多亲水基团材料质量35~70%的吸湿剂、天然多亲水基团材料质量25~35%的成膜剂、天然多亲水基团材料质量1~2%的交联剂；然后在40~50℃、150~200rpm、氮气气氛下反应1~2h，反应结束后调节反应物pH至7-8，反应物烘干后收集固体产物，用无水乙醇洗涤固体产物3~4次，干燥至恒重制得抑尘剂基体材料；
（2）在乙醇-水溶液中添加纳米TiO2、分散剂、偶联剂后，用高速剪切仪剪切5~10min，然后在60~70℃、150~200rpm下反应0.5~1h，制得光催化整理液，其中纳米TiO2的添加量为天然多亲水基团材料质量的15~25%，分散剂的添加量为天然多亲水基团材料质量的0.25~0.35%，偶联剂的添加量为天然多亲水基团材料质量的1~2%；
（3）将抑尘剂基体材料加入光催化整理液中，在60~70℃、150~200rpm下反应16~24h，反应完成后，反应物烘干处理并收集固体产物，用无水乙醇洗涤固体产物3~4次，干燥至恒重后即得具备光催化降解功能的抑尘剂。
2.根据权利要求1所述的具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法，其特征在于：天然多亲水基团材料为海藻酸钠、木质素磺酸钠中的一种。
3.根据权利要求1所述的具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法，其特征在于：吸湿剂为甘油、丙二醇、丁二醇、山梨糖醇中的一种；成膜剂为聚乙烯醇、可溶性淀粉中的一种；交联剂为NN-亚甲基双丙烯酰胺。
4.根据权利要求1所述的具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法，其特征在于：乙醇-水溶液是无水乙醇与水按体积比8~10:1的比例混合制的。
5.根据权利要求1所述的具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法，其特征在于：分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠中的一种；偶联剂KH-550、KH-560、KH-570中的一种。
6.权利要求1-5任一项所述的具备光催化降解功能的抑尘剂的制备方法制得的具备光催化降解功能的抑尘剂在大气降尘、施工作业面降尘、物料堆抑尘、道路运输抑尘或土壤固沙中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：具备光催化降解功能的抑尘剂添加其质量10~30倍的水溶解后使用。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：添加抑尘剂质量5%~10%的表面活性剂或粘结剂，表面活性剂为天然皂苷或十二烷基甜菜碱，粘结剂为瓜尔胶或黄原胶。
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