CN114939432A - 一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用，包括以下制备步骤：步骤一：称取原料多孔活性炭粉，沸石分子筛粉末，二氧化钛粉末，四氧化三钴粉末，氧化铝粉末，五氧化二钒粉末，纳米氧化锌粉末，纳米氧化镁粉末，氧化钙粉末，分散剂，粘接剂，抑菌剂，蒸馏水；步骤二：将上述原料混合搅拌得到混合样品；步骤三：将混合样品转移至造粒机中挤出造粒，得到初产物；步骤四：将初产物置于烘箱中，烘干，得到中间产物；步骤五：将中间产物放入管式炉中煅烧，得到终产物，对终产物进行滤筛，得到可见光催化氧化去除异味复合材料。本发明旨在解决传统的有机污染物处理方法存在的吸附、降解性能低下，易产生二次污染等技术问题。

Description

一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，尤其涉及一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用。
背景技术
目前，国内外制备具有选择性光催化降解有机污染物的催化剂的研究取得了一定的进展。各类方法中对各类有机污染物均适用并具有较高选择性的还是首推分子印迹技术。虽然利用分子印迹TiO2进行选择性降解低浓度高毒性有机污染物方面已取得一些进展，但目前针对这一新型材料的研究还属于刚刚起步，尤其是性能更优越、更有前途的材料正在开发之中。
越来越多的人注意到了环境质量的重要性尤其是室内空气质量，特别是空气中包含的甲醛、苯类以及其他一些有特殊气味的有机污染物。传统的应对他们的方法有物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法，还有种植一些具有针对性吸收作用的盆栽。各种各样的产品层出不穷，并且还在不断的推陈出新。但这些方法大部分都有他们的局限性。比如降解目标单一，降解性能低下，容易产生二次污染等，所以应用效果有限。C3N4和金属氧化物是两种能够利用光进行催化降解的光催化剂。他们的热力学性能稳定，可以利用半导体材料在光照下表面能受激活化的特性，利用光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味，因而受到越来越多的重视。可见光催化作为一种新兴且强大的有机合成手段，具有洁净节能、优秀的官能团兼容性和良好的化学选择性等特征。氧气作为一种廉价、无污染的氧化剂，与可见光催化相结合，极大地促进了绿色化学的发展。
利用各种性能优良的改性选择性吸附材料(石墨烯，导电聚合物，活性炭，沸石，硅藻土，碳纳米管，蒙脱石等)与TiO2杂化，制备具有高选择性高吸附性能的光催化材料也可能是一种途径。通过光催化降解低浓度、高毒性有机污染物是未来空气净化领域的重要研究方向。
针对以上技术问题，本发明公开了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用，本发明制备的可见光催化氧化去除异味复合材料比表面积高、吸附位点多、吸附性能好，催化氧化性能优异，具有洁净节能、优秀的官能团兼容性和良好的化学选择性等特征，制备工艺简单，实用性强，可利用廉价、无污染的氧气作为氧化剂，与可见光催化相结合，符合我国绿色化学发展方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法及应用，以解决现有传统的空气中有机污染物净化处理方法如物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法、具有针对性吸收作用的盆栽种植等大部分都有他们的局限性，降解目标单一，降解性能低下，容易产生二次污染等，应用效果有限等技术问题，本发明制备一种可见光催化氧化去除异味复合材料，吸附性能好，可利用廉价、无污染的氧气作为氧化剂，与可见光催化相结合，催化氧化性能优异，且制备工艺简单，实用性强，符合我国绿色化学发展方向。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤一：按重量份数称取原料多孔活性炭粉10～20份，沸石分子筛粉末10～15份，二氧化钛粉末5～10份，四氧化三钴粉末2～4份，氧化铝粉末2～5份，五氧化二钒粉末2～5份，纳米氧化锌粉末2～4份，纳米氧化镁粉末2～4份，氧化钙粉末1～2份，分散剂1～2份，粘接剂1～2份，抑菌剂1～2份，蒸馏水5～10份；
步骤二：将上述原料混合搅拌2～4h得到混合样品；
步骤三：将混合样品转移至造粒机中挤出造粒，得到初产物；
步骤四：将初产物置于烘箱中，经过4h烘干，得到中间产物；
步骤五：将中间产物放入管式炉中煅烧4h，得到终产物，对终产物进行滤筛，得到可见光催化氧化去除异味复合材料。
优选的，步骤一中，多孔活性炭粉、沸石分子筛粉末、二氧化钛粉末、四氧化三钴粉末、氧化铝粉末、五氧化二钒粉末、纳米氧化锌粉末、纳米氧化镁粉末和氧化钙粉末均为500～1000目。
优选的，步骤一中，分散剂选用水玻璃、甲基戊醇、三聚磷酸钠中的一种或几种；粘接剂选用聚乙烯、聚氨酯、环氧树脂中的一种或几种；抑菌剂选用聚吡啶、银离子、乙基香草醛中的一种或几种。
优选的，步骤一中，蒸馏水的温度控制在15～30℃范围内。
优选的，步骤三中，初产物为直径1～12mm，长度5～25mm的圆柱形颗粒。
优选的，步骤四中，烘箱的温度设置为80～120℃。
优选的，步骤四中，中间产物的强度达到30～60N/m2。
优选的，步骤五中，煅烧在氮气氛围600～800℃条件下进行。
优选的，步骤五中，可见光催化氧化去除异味复合材料的比表面积为800～1000m2/g，真实密度为0.75～1.15g/mL，堆积密度为0.75～0.95g/mL，pH值为5～8，3m3舱测异味综合去除率为95％～100％。
本发明还公开了一种可见光催化氧化去除异味复合材料在空气净化领域中的应用。
本发明具有以下优点：
本发明制备可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，通过设置合适的原料比例以及制备温度，使可见光催化氧化去除异味复合材料的强度、比表面积、吸附容量、光催化降解的性能以及吸附效果等各方面都得到优化，另加入抑菌剂，在对于细菌、病毒等微生物的抑制和消除方面也有了明显的提升。
本发明制备的可见光催化氧化去除异味复合材料中含有较多的活性炭，活性炭能够快速的吸附空气中的异味分子和病菌，二氧化钛粉末、四氧化三钴粉末、氧化铝粉末、五氧化二钒粉末、纳米氧化锌粉末、纳米氧化镁粉末和氧化钙粉末这类的金属氧化物是能够利用光进行催化降解的光催化剂。他们的热力学性能稳定，可以利用复合材料在光照下表面能受激活化的特性，利用光能有效地氧化分解有机物，杀灭细菌和消除异味，Ag+能够改变炭材料的表面化学特性，为活性炭提供更多的化学吸附位点，使吸附性能更佳的同时能够提高其除菌性能，使得本发明制备的复合材料在空气净化性能方面得到新的提升。
附图说明
图1是本发明可见光催化氧化去除异味复合材料的制备流程图；
图2是可见光催化氧化去除异味复合材料的氮气吸脱附曲线图；
图3是可见光催化氧化去除异味复合材料的孔径分布曲线图；
图4是可见光催化氧化去除异味复合材料ZC3的扫描电镜图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中可见光催化氧化去除异味复合材料采取如下的方法进行评价：
(1)异味的去除率：将所需测试样品倒出搅拌均匀，称100克装入已备好的注塑框架中，保证密闭性良好，然后装入空气净化机中，在净化器后盖内部加两根功率为5W的灯管，连接外部电源，用塑料袋罩住整个空气净化机；最后在3m3箱体中注入一定量的检测溶液，加热10分钟使之完全挥发(同时开启搅拌风机)后，关闭加热器，抽样测其初始浓度，之后撤去净化机上的塑料袋，开启净化风机并开始计时，记录30分钟后的净化情况。实验温度达25±2℃。
(2)测试仪器:3m3有机玻璃箱、拌风机、温湿度计、三星KJ350G-K3026WP空气净化机、美国Interscan公司的4160甲醛分析仪、日本GASTEC乙醛检测管、日本GASTEC氨检测管、日本GASTEC甲苯检测管、日本GASTEC苯检测管和日本GASTEC采样器。
(3)使用Nanosem 430型场发射扫描电子显微镜分析材料的表面结构性质和表面孔道分布。
(4)使用3H-2000PS1型自动氮吸附分析仪测定炭的比表面积和孔容等结构参数。
(5)使用YHKC-2A颗粒强度测定仪测量材料强度。
(6)按GB/T12496.8-2015木质活性炭实验方法测量复合材料的pH值。
实施例1
实施例1公开了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：按重量份数称取原料
称取多孔活性炭粉10份，沸石分子筛粉末10份，二氧化钛粉末5份，四氧化三钴粉末2份，氧化铝粉末2份，五氧化二钒粉末2份，纳米氧化锌粉末2份，纳米氧化镁粉末2份，氧化钙粉末1份，分散剂1份，粘接剂1份，抑菌剂1份，25℃蒸馏水5份，分散剂选用水玻璃，粘接剂选用聚乙烯，抑菌剂选用银离子；
步骤二：搅拌
将上述各原料逐一加入烧杯中，用玻璃棒搅拌20min，直至搅拌均匀，无明显原料颗粒为止，得到混合样品；
步骤三：挤出；
将混合样品转移至造粒机中挤出造粒，制成直径4mm，长度15mm圆柱形颗粒状产物，即初产物；
步骤四：烘干；
将初产物置于烘箱中，设置目标温度100℃，经过4h烘干，得到中间产物；
步骤五：煅烧
将中间产物放入管式炉中700℃，通入氮气，煅烧4h，得到目标复合产物，即可见光催化氧化去除异味复合材料，记为ZC1。
实施例2
实施例2公开了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：按重量份数称取原料
称取多孔活性炭粉15份，沸石分子筛粉末13份，二氧化钛粉末8份，四氧化三钴粉末3份，氧化铝粉末3份，五氧化二钒粉末3份，纳米氧化锌粉末3份，纳米氧化镁粉末3份，氧化钙粉末2份，分散剂2份，粘接剂2份，抑菌剂2份，25℃蒸馏水7份，分散剂选用水玻璃，粘接剂选用聚乙烯，抑菌剂选用银离子；
步骤二：搅拌
将上述各原料逐一加入烧杯中，用玻璃棒搅拌20min，直至搅拌均匀，无明显原材料颗粒为止，得到混合样品；
步骤三：挤出
将混合样品转移至造粒机中挤出造粒，制成直径4mm，长度15mm圆柱形颗粒状产物，即初产物；
步骤四：烘干；
将初产物置于烘箱中，设置目标温度100℃，经过4h烘干，得到中间产物；
步骤五：煅烧；
将中间产物放入管式炉中700℃，通入氮气，煅烧4h，得到目标复合产物，即可见光催化氧化去除异味复合材料，记为ZC2。
实施例3
实施例3公开了一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：按重量份数称取原料
称取多孔活性炭粉20份，沸石分子筛粉末15份，二氧化钛粉末10份，四氧化三钴粉末4份，氧化铝粉末4份，五氧化二钒粉末5份，纳米氧化锌粉末4份，纳米氧化镁粉末4份，氧化钙粉末2份，分散剂2份，粘接剂2份，抑菌剂2份，25℃蒸馏水10份，分散剂选用水玻璃，粘接剂选用聚乙烯，抑菌剂选用银离子；
步骤二：搅拌；
将上述各原料逐一加入烧杯中，用玻璃棒搅拌20min，直至搅拌均匀，无明显原材料颗粒为止，得到混合样品；
步骤三：挤出；
将混合样品转移至造粒机中挤出造粒，制成直径4mm，长度15mm圆柱形颗粒状产物，即初产物；
步骤四：烘干
将初产物置于烘箱中，设置目标温度100℃，经过4h烘干，得到中间产物；
步骤五：煅烧；
将中间产物放入管式炉中700℃，通入氮气，煅烧4h，得到目标复合产物，即可见光催化氧化去除异味复合材料，记为ZC3。
对制备得到的可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3进行孔结构特征和表面结构性质的表征，以及吸附性能测试。
(一)分别测试可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的氮气吸脱附性能、孔径分布及孔结构参数，氮气吸脱附性能曲线图如图2，孔径分布图如图3，孔结构参数表见表1。
表1 ZC1、ZC2、ZC3的孔结构参数表
Figure BDA0003633411370000061
其中，Dap(nm)表示平均孔径，单位为nm；SBET(m2/g)表示比表面积，单位为m2/g；Smic(m2/g)表示微孔比表面积，单位为m2/g；Vt(cm3/g)表示总孔容，单位为cm3/g；Vmic(cm3/g)表示微孔孔容，单位为cm3/g。
由图2可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的氮气吸脱附曲线图，可以看出在0–0.1相对分压下，复合材料对氮气的吸附量快速增加，说明有小于2nm的微孔存在；0.1–0.4相对分压下，复合材料对氮气的吸附量保持平衡，说明有大量2-50nm的中孔；在相对压力下高的情况下，吸附曲线和脱附曲线不再重合，二者出现了明显的滞后环现象，为I型和IV型特征的结合，说明存在一定量的微孔和中孔。
由图3可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的氮气孔径分布图可以看出微孔、中孔分布，说明可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3同时具备微孔和介孔结构，这些结构有利于异味气体的吸附；可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3孔径分布在0～50nm。
由表1可知，可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的平均孔径在3.21～3.74nm之间；随着制备比例的变化，可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的比表面积先减小后增大，ZC1的比表面积最大；可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3既含有微孔部分，也含有介孔部分，这些微孔和介孔周围都分布着光催化材料，在可见光下，可以将孔道吸附进来的有机气体迅速被氧化降解，避免了空气被二次污染。
(二)可见光催化氧化去除异味复合材料ZC3扫描电镜图见图4。
由图4可见光催化氧化去除异味复合材料ZC3的扫描电镜图可知活性炭表面存在着大量的孔道，这些孔道对于异味吸附有着非常重要的作用，丰富的孔道结构对于吸附不同种类的气体有着不同的作用，有利于对异味的有效去除。复合材料表面丰富的孔道结构是复合材料吸附异味气体分子的关键所在，二氧化钛粉末、四氧化三钴粉末、氧化铝粉末、五氧化二钒粉末、纳米氧化锌粉末、纳米氧化镁粉末等光催化材料对于异味能快速的催化降解，使被污染的空气变得更加洁净。
(三)经测试可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的颗粒强度分别为36、45、55N/㎡；可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的pH值分别为5.75、6.18、7.22；可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3对异味的去除率详细见表2：
表2可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3的对碱性VOCs的去除率表
Figure BDA0003633411370000071
可见光催化氧化去除异味复合材料ZC1、ZC2、ZC3对VOCs有很好的去除率，综合去除率分别为98.3％、95.3％、96.8％。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
步骤一：按重量份数称取原料多孔活性炭粉10～20份，沸石分子筛粉末10～15份，二氧化钛粉末5～10份，四氧化三钴粉末2～4份，氧化铝粉末2～5份，五氧化二钒粉末2～5份，纳米氧化锌粉末2～4份，纳米氧化镁粉末2～4份，氧化钙粉末1～2份，分散剂1～2份，粘接剂1～2份，抑菌剂1～2份，蒸馏水5～10份；
步骤二：将上述原料混合搅拌2～4h得到混合样品；
步骤三：将所述混合样品转移至造粒机中挤出造粒，得到初产物；
步骤四：将所述初产物置于烘箱中，经过4h烘干，得到中间产物；
步骤五：将所述中间产物放入管式炉中煅烧4h，得到终产物，对所述终产物进行滤筛，得到可见光催化氧化去除异味复合材料。
2.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述多孔活性炭粉、沸石分子筛粉末、二氧化钛粉末、四氧化三钴粉末、氧化铝粉末、五氧化二钒粉末、纳米氧化锌粉末、纳米氧化镁粉末和所述氧化钙粉末均为500～1000目。
3.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述分散剂选用水玻璃、甲基戊醇、三聚磷酸钠中的一种或几种；所述粘接剂选用聚乙烯、聚氨酯、环氧树脂中的一种或几种；所述抑菌剂选用聚吡啶、银离子、乙基香草醛中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述蒸馏水的温度控制在15～30℃范围内。
5.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述初产物为直径1～12mm，长度5～25mm的圆柱形颗粒。
6.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述烘箱的温度设置为80～120℃。
7.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述中间产物的强度达到30～60N/m2。
8.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤五中，煅烧在氮气氛围600～800℃条件下进行。
9.如权利要求1所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料的制备方法，其特征在于，步骤五中，可见光催化氧化去除异味复合材料的比表面积为800～1000m2/g，真实密度为0.75～1.15g/mL，堆积密度为0.75～0.95g/mL，pH值为5～8，3m3舱测异味综合去除率为95％～100％。
10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的一种可见光催化氧化去除异味复合材料在空气净化领域中的应用。
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