CN115364828A - 一种空气净化材料及空气净化炭包 - Google Patents
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Abstract
公开了一种空气净化材料及空气净化炭包。所述空气净化材料，其包括锰氧化物和负载所述锰氧化物的大孔树脂，其中所述大孔树脂是亲水性的。所述空气净化炭包，其由前述空气净化材料包覆活性炭制成。
Description
分案说明
本申请属于申请日为2019年8月13日的中国发明专利申请201910751164.0的分案申请。
技术领域
本发明涉及空气净化领域，具体涉及一种能够分解空气中的甲醛的空气净化材料及其制备方法。
背景技术
甲醛作为一种能够危害人类健康的有害气体越来越受到人们的关注。近年的研究表明，诸如二氧化锰之类的锰氧化物作为一种能够在常温下分解空气中的甲醛的材料期望被用于去除特定空间(例如房间)中的甲醛。
然而，由于二氧化锰等锰氧化物呈细粉状态，难以应用在主动通风式的空气净化系统中。传统的负载于氧化铝、二氧化钛和颗粒活性炭等基材的方式风阻大、负载率低并且存在掉粉等现象。
另一方面，甲醛的沸点为-19.5摄氏度，因此常温下甲醛以气态形式存在于空气中。此外，甲醛又极易溶于水，因此空气中的甲醛又多以与水分子结合的形式存在。
又一方面，虽然大孔树脂具有比表面积高、负载率高等优点，但其一般为颗粒状，难以被制成诸如薄片状之类的其他形状，从而限制了其使用范围。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种风阻小、负载率高且不会掉粉的空气净化材料。
根据本发明的一个方面，提供了一种空气净化材料，所述空气净化材料被配置为分解有害气体，所述方法包括以下步骤：
步骤1：制备能够分解有害气体的材料；
步骤2：制备大孔树脂；
其中，制备大孔树脂包括：
准备引发剂；
向引发剂中加入油相，其中，油相由单体、交联剂、致孔剂以及分散剂混合后经超声波分散均匀配制而成；以及
步骤3：向所述油相中加入所述能够分解有害气体的材料，并且水浴升温至75摄氏度保持5小时；以及
步骤4：冷却，并恒温干燥，即可得所述空气净化材料。
根据一个实施例，所述能够分解甲醛的材料为锰氧化物。
根据一个实施例，所述引发剂为过氧化苯甲酰以及二次水，所述单体是苯乙烯，交联剂是二乙烯苯，致孔剂是甲苯，并且分散剂是span.80。
根据一个实施例，在制备大孔树脂过程中通入保护性气体，并且在步骤3中停止通入保护性气体。
根据一个实施例，在步骤2中，进行搅拌，并且在步骤3的后两个小时中提高搅拌的转速。
根据一个实施例，所述大孔树脂是亲水性的，或者所述方法还包括对所获得的大孔树脂进行亲水化处理。
根据一个实施例，在所述步骤3的后两个小时中，将所述溶液与纤维性基材混合。
根据一个实施例，所述纤维性基材是滤棉、无纺布或纱布。
根据一个实施例，所述方法包括：将所述溶液倒入纤维性基材，其中所述纤维性基材是分层的纤维性基材。
根据本发明的另一个方面，提供了一种空气净化材料，所述空气净化材料是通过以上方法制备的。
参考附图，通过以下对示例性实施力的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出了根据本发明的制备空气净化材料的流程图；
图2是示出了根据本发明的制备空气净化材料的流程图；
图3是示出了锰氧化物负载状态的图；以及
图4是示出了根据本发明第二实施例的制备空气净化材料的流程图。
具体实施方式
以下，参考附图描述根据本示例性实施例的空气净化材料及其制备方法。应当理解，以下描述仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到以下实施例。
第一实施例
首先，参考图1，其示出了根据本发明的制备空气净化材料的流程图。如图1所示，在步骤s101中，制备能够分解甲醛的锰氧化物，锰氧化物在常温下即可有效地分解甲醛，是良好的甲醛分解材料。随后，在步骤s102中，将所制备的锰氧化物负载到作为基材的大孔树脂上以制备负载有锰氧化物的大孔树脂，即可得到根据本发明的空气净化材料。
以下，具体描述根据本发明的制备空气净化材料的方法。
锰氧化物的制备
根据一个实施例，根据本发明的锰氧化物可以是水钠锰矿型锰氧化物，其具体制备过程如下：
首先，将季铵盐和高锰酸盐溶解在水中。其中，季铵盐例如可以是十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或其混合物，并且其浓度为0.1-10g/L，并且高锰酸盐为水溶性的高锰酸盐。高锰酸盐的示例包括高锰酸钾、高锰酸铵或高猛酸钠。
接着，向季铵盐和高锰酸盐加入还原剂并搅拌均匀。其中，还原剂可以是甲醇、乙醇或者乙二醇，并且高锰酸盐和还原剂的物质的量比在1：10～1：300的范围内。
最后，将所得到的水溶液进行恒温加热，所得产物即为水钠锰矿型锰氧化物。恒温加热的温度可以是室温到50摄氏度。
根据另一个实施例，根据本发明的锰氧化物可以是通过如下方法制备的锰氧化物。
首先，将高锰酸盐溶液和草酸盐溶液进行均匀混合，其中高锰酸盐溶液的浓度为0.1～10g/L，草酸盐的浓度为0.1～15g/L，且高锰酸盐和草酸盐溶液的配比为0.5：1～5：1。高锰酸盐例如可以是高锰酸钠、高锰酸钾或高锰酸铵。草酸盐例如可以是草酸钠、草酸铵、草酸钾。
接着，通过氢氧化钠或者盐酸将所得的混合溶液的PH调节到4～10之间，并对所得溶液进行加热、干燥即可得到锰氧化物。加热温度例如可以在40～90摄氏度，并且干燥温度可以在室温～500摄氏度。
根据又一个实施例，根据本发明的锰氧化物可以是通过如下方法制备的锰氧化物。
首先，将可溶性锰盐与络合剂均匀混合，其中锰盐的浓度为0.12mol/L，络合剂的浓度为0.1～0.4mol/L。可溶性锰盐的示例包括硫酸锰、硝酸锰、氯化锰、醋酸锰等等，并且络合剂的示例包括柠檬酸三钠、乙二胺四乙酸二钠等。
接着，向所得的混合物加入强碱溶液，强碱溶液例如可以是氢氧化钠、氢氧化钾或者氢氧化铷。
待反应结束后继续搅拌，并用去离子水洗涤几次，然后干燥即可得到高纯水钠锰矿。
以上具体描述了三种具体的制备锰氧化物的方法以及所制得的锰氧化物，但是锰氧化物及其制备方法不限于此。例如，市场上能够购得的二氧化锰也可以作为根据本发明的锰氧化物，并且可以包括现有的或者未来开发的能够分解甲醛的锰氧化物。
此外，在以上的描述中，虽然以锰氧化物作为能够分解甲醛的物质进行了描述，但是本发明不限于此。也就是说，分解甲醛的物质不限于锰氧化物，而是可以包括其他能够分解甲醛的物质(诸如Ru、Pd、Pt、Au等贵金属)，只要这些物质或其混合物能够如下所述地被负载到大孔树脂中以实现对甲醛的分解即可。
注意，在以下的描述中，将以锰氧化物作为分解甲醛的物质的示例来描述根据本发明的实施例，但是如上所述，分解甲醛的物质不限于锰氧化物。也就是说，在以下的描述中，锰氧化物仅仅是示例性的。
制备负载有锰氧化物的大孔树脂
大孔树脂(macroporous resin)又称全多孔树脂，其是由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成的。聚合物形成后，致孔剂被除去，在树脂中留下了大大小小、形状各异、互相贯通的孔穴。因此大孔树脂在干燥状态下其内部具有较高的孔隙率，且孔径较大，在100～1000nm之间。大孔树脂一般为白色的球状颗粒，粒度为20～60目。
此外，由于大孔树脂具有多孔状、高比表面积以及可重复使用的特性，因此将锰氧化物负载到大孔树脂上将大大提高锰氧化物的负载率。此外，在本发明中，通过在大孔树脂的合成过程中加入锰氧化物，使得锰氧化物能够在树脂凝固过程中通过物理作用被固定就位，从而基本杜绝了掉粉情况的发生。
接下来，参考图2具体描述将如上所述的锰氧化物负载到大孔树脂上的操作。
如图2所示，在步骤s201中，准备安装有搅拌器和氩气保护装置的四口瓶，并将四口瓶置于水浴锅中，其中水浴锅的加热温度被设定为50摄氏度。此时向水浴锅中的四口烧瓶中加入0.23g的作为引发剂的过氧化苯甲酰以及100mL二次水，在水浴锅加热升温的过程中进行搅拌溶解，当温度升至50摄氏度时恒温约15min。
接下来，在步骤s202中，当水相溶液溶解完全之后，开始向四口瓶中通入氩气保护，此时将水浴锅中的温度由50摄氏度迅速降低至25摄氏度，之后向水相环境中缓缓滴加油相。油相例如可以由8.0g单体、8.0g交联剂、11.7g致孔剂以及1.1g分散剂混合后经超声波分散均匀配制而成。具体地，在本示例性实施例中，单体例如可以是苯乙烯，交联剂例如可以是二乙烯苯，致孔剂例如可以是甲苯，并且分散剂例如可以是span.80。
在滴入油相之后，可以向该油相中加入如上所述的锰氧化物，在加入锰氧化物的过程中适当提高搅拌速度和通入氩气的量。并且在油相滴加完毕并且锰氧化物添加完毕之后将水浴温度升温至75摄氏度。
接下来，在步骤s203中，当反应体系温度升至75摄氏度后，开始停止向反应体系中通入氩气，并且在75摄氏度的恒温条件下反应5h，使锰氧化物颗粒定型和固化，在该过程反应的后两个小时中适当提高搅拌的转速以防止锰氧化物凝结成块。
接下来，在步骤s204中，待反应结束后将四口瓶从水浴锅中移出进行自然冷却，之后将反应所得的悬浮液进行分离，然后用无水乙醇进行多次洗涤，恒温(40℃)真空干燥箱中干燥24h得到的微球颗粒即为负载有锰氧化物的大孔树脂。
通过如上所述的操作得到的负载有锰氧化物的大孔树脂能够充分利用大孔树脂多孔、高比表面积的特性，能够大大提高锰氧化物的负载率，提高单位空间中锰氧化物的含量以及与空气接触的面积，从而提高对甲醛的分解效率。
另一方面，在本示例性实施例中，锰氧化物颗粒在大孔树脂的合成过程中通过物理作用被固定就位，消除了锰氧化物颗粒在使用过程中掉粉的可能性。
应当注意，以上以锰氧化物被负载在大孔树脂上的情况进行了描述。应当理解，在甲醛分解材料为除了锰氧化物以外的其他类型的分解甲醛的材料的情况下，该其他类型的分解甲醛的材料可以被负载在大孔树脂上。
此外，以上的描述中，以氩气作为保护性气体，但是氦气、氮气等其他保护性气体也是可以的。
如图3所示，其中左边的视图示出了锰氧化物颗粒被负载于大孔树脂的状态，并且右边的视图示出了锰氧化物被负载于棉布、纤维等基材上的情况。可以看出，将锰氧化物颗粒负载于大孔树脂能够大大增加锰氧化物的负载率，因为与棉布、纤维等的一维负载相比，大孔树脂能够实现锰氧化物的三维负载。
此外，在将锰氧化物负载于活性炭的情况下，虽然能够提高锰氧化物的负载率，但是锰氧化物颗粒仅仅通过活性炭的表面吸附力被吸附，容易造成掉粉等情况，特别是在空气流动的情况下，可能造成锰氧化物粉末随着空气流动而散布到空气中。
以上以分解甲醛为例进行了描述，但是甲醛仅仅是有害气体的示例。也就是说，可以将能够分解其他有害气体的物质按照如上所述的方法负载于大孔树脂。
以上已经参考附图描述了根据本发明的空气净化材料及其制备方法，根据该方法制备的空气净化材料具有负载率高且不会掉粉的优点。
第二实施例
以下，将主要描述与第一实施例的制备空气净化材料的方法的不同之处，并省略与第一实施例的制备空气净化材料的方法的相同部分的冗余描述。
如图4所示，在根据本发明的第二实施例的制备空气净化材料的方法中，还包括步骤s103，步骤s103使所得到的负载有锰氧化物的大孔树脂柔顺化。
如上所述，根据第一实施例中所述的方法制备得到的负载有锰氧化物的大孔树脂为颗粒状。颗粒状态使得其使用范围受到限制。具体地，在许多情况下，需要所得到的能够分解甲醛的材料柔顺，以便能够被制成各种形状。例如，在需要去除空气中的甲醛又需要吸附空气中具有异味的气体(例如，臭氧、氨气)的情况下，优选地，能够分解甲醛的材料与活性炭配合使用，以达到分解甲醛并去除具有异味的气体的目的。在这种情况下，使能够分解甲醛的材料包覆活性炭，以制成炭包的形式是优选的方式。此时，需要所制备得到的能够分解甲醛的材料具有柔顺性。
在根据本发明的第二实施例中，通过步骤s103来使得负载有锰氧化物的大孔树脂柔顺化。
具体地，在第一实施例的步骤s204中，待反应结束后将四口瓶从水浴锅中移出进行自然冷却，之后将反应所得的悬浮液进行分离，然后在恒温(40℃)真空干燥箱中进行干燥。
在第二实施例中，不直接对反应所得的悬浮液进行恒温干燥，而是首先向所述悬浮液中加入过滤棉、无纺布、纱布等纤维性基材，使得该纤维性基材充分浸润在反应所得的悬浮液中，待充分浸润之后，对过滤棉、无纺布、纱布等纤维性基材在50～105摄氏度的温度下进行烘干，即可得到柔顺化的负载有锰氧化物的大孔树脂。
具体地，根据此方法制备得到的分解甲醛的材料是通过大孔树脂来实现高吸附率和防止掉粉的效果，并且通过纤维性基材的纤维实现分解甲醛的材料的柔顺性。具体地，通过将大孔树脂负载于柔性的纤维上，赋予了大孔树脂的柔顺性。
此外，在以上根据第一实施例的描述中，在步骤s203中，在75℃的恒温条件下反应5h，使锰氧化物颗粒定型和固化，并且在该过程反应的后两个小中适当提高搅拌的转速以防止锰氧化物凝结成块。
在本示例性实施例中，在步骤s203的后两个小中，向悬浮液中加入过滤棉、无纺布、纱布等纤维性基材，以使得能够以该基材的纤维为核心进行凝结过程，从而形成以纤维性基材的纤维作为骨架，而负载有锰氧化物的大孔树脂又被负载于纤维性基材的形式。如此制备的空气净化材料不仅利用了大孔树脂的特性，又利用了纤维性基材的柔顺性，从而使得所制备的空气净化材料具有柔顺性，从而能够进行各种后续处理，例如，制成炭包。
之后，将纤维性基材取出，并对纤维性基材进行烘干操作，即可得到具有柔顺性的负载有锰氧化物的大孔树脂。
通过在步骤s203中加入纤维性基材能够更好地使负载有锰氧化物的大孔树脂负载于纤维性基材。
根据另一个实施例，为了充分利用含有锰氧化物的大孔树脂，可以在第一实施例的步骤s203后所得溶液中加入分层的或者一体的纤维性基材，使得悬浮液能够浸没该纤维性基材，随后整体在恒温真空干燥箱中进行干燥。
根据又一个实施例，可以预先准备分层的或者一体的纤维性基材，随后向所述纤维性基材倒入经过步骤s203所得的溶液。
例如，在纤维性基材为一体性的纤维性基材的情况下(例如，棉布团)，可以将该一体性的纤维性基材浸没在步骤s203中所得到的溶液中，并通过超声波、振动、搅拌等使得悬浮液与一体性的纤维性基材充分混合均匀。为了得到形状规整的、具有柔顺性的负载有锰氧化物的大孔树脂，随后，将该一体性的纤维性基材置于例如立方体槽中，并在这种状态下进行真空干燥。经过真空干燥之后，由于纤维性基材的作用，负载有锰氧化物的大孔树脂在干燥凝固过程中也会负载在纤维性基材的纤维上。
随后，可以对干燥凝固后的产物进行例如切割等操作，从而获得薄片状的负载有锰氧化物的大孔树脂。该薄片状的负载有锰氧化物的大孔树脂由于其中的纤维性基材的纤维的作用，具有能够弯折的特性。也就是说，该薄片状的负载有锰氧化物的大孔树脂具有柔顺性，从而能够用作包覆活性炭等用途，以与活性炭共同发挥作用。
优选地，可以向步骤s203中所得到的溶液逐层地放置纤维性基材。具体地，在例如超声搅拌的情况下，向在步骤s203中所得到的溶液中逐层地放置例如被设置为矩形形状的纤维性基材，随后进行真空干燥，即可得到容易分层的、具有柔顺性的负载有锰氧化物的大孔树脂。进一步地，可以在层与层之间设置层间隔离层，以更容易进行分离，这种情况对于将在步骤s203中所得到的溶液倒入纤维性基材的情况特别有用。例如，可以在设置一层纤维性基材之后覆盖一层带孔的锡箔纸，随后再进行下一层纤维性基材的设置。在这种情况下，带孔的锡箔纸为层间隔离层。
如此，通过如上所述的操作，可以制备作为根据本发明的空气净化材料的具有柔顺性的负载有锰氧化物的大孔树脂。
第三实施例
以下，将主要描述与第一和第二实施例的制备空气净化材料的方法的不同之处，并省略与第一和第二实施例的制备空气净化材料的方法的相同部分的冗余描述。
由于甲醛的沸点为-19.5摄氏度，因此常温下甲醛以气态形式存在于空气中。另一方面，甲醛又极易溶于水，因此空气中的甲醛又多以与水分子结合的形式存在。鉴于此，可以通过增加空气净化材料与水的亲和性来分解溶解于空气中的水中的甲醛。实际上，空气中的甲醛多以溶解于水的形式存在，分解溶解于水的甲醛能够大大提高甲醛的分解效果。
具体地，在本示例性实施例中，制备亲水性的负载有锰氧化物的大孔树脂。一般而言，大孔树脂按其极性大小和所选用的单体分子结构不同，可分为极性、中极性和非极性三类。其中非极性大孔树脂是由偶极矩很小的单体聚合制得的，特点为不带任何功能基，孔表的疏水性强，具有代表性的是苯乙烯、二乙烯苯聚合物。
在以上描述的第一实施例和第二实施例中，选用苯乙烯作为单体制备了非极性的大孔树脂。但是，本发明不限于此，而是可以选用其他类型的单体来制备极性和中极性的大孔树脂。例如，中极性的大孔树脂是含酯基的吸附树脂，以多功能团的甲基丙烯酸酯作为交联剂，其表面兼有疏水和亲水两部分。因此，中极性的大孔树脂能够比非极性的大孔树脂更好地与空气中的水分结合。
在另一个实施例中，还可以对大孔树脂进行亲水化处理。例如，可以通过如下步骤来提高大孔树脂的亲水性。
步骤1：在装有搅拌器、温度计和回流冷凝器的三口烧瓶中加入大孔树脂和氯甲醚，搅拌后缓慢加入氯化镁粉末，树脂与氯甲醚、氯化镁的质量比为1∶7-10∶0.3-0.8，待混合均匀后用水浴加热升温至35-50℃，反应时间为8-14小时，反应结束后冷却减压抽滤出氯甲基化树脂。
步骤2：在装有搅拌器、温度计、漏斗和回流冷凝器的四口釜式反应器中加入氯甲基化树脂，之后加入浓度为13-30％的二甲基甲酰胺(DMF)，加入的树脂与DMF质量比为1∶1-4，开启搅拌器将反应物混合均匀。
步骤3：水浴加热恒温至80-105℃时，将漏斗里浓度为5-20％的KOH溶液在3-20min时间内加入，树脂与KOH的质量比为1∶0.1-0.7，反应2-8小时后停止反应，将混合物冷去后进行减压抽滤得到羟基化树脂。
步骤4：用乙醇将树脂冲洗干净，之后用去离子水洗掉。
如此得到的羟基化树脂提高了与水的亲和性，从而能够更好地吸附空气中的水分，进而利用其中负载的锰氧化物分解水分中溶解的甲醛。
在本示例性实施例中，可以在制备负载锰氧化物的大孔树脂的过程中(步骤s102)通过如上方法得到羟基化的树脂，从而提高所得到的大孔树脂的亲水性。可替代地，可以在使得大孔树脂柔顺化之后对大孔树脂进行羟基化处理，以提高其亲水性。
如此得到的亲水性的负载有锰氧化物的大孔树脂能够更有效地分解溶解在空气中水分中的甲醛，从而实现了更好的净化空气中甲醛的效果。
虽然尽管已经参考示例实施例描述了本公开，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和等同的结构和功能。
Claims (10)
1.一种空气净化材料，其包括锰氧化物和负载所述锰氧化物的大孔树脂，其中所述大孔树脂是亲水性的。
2.根据权利要求1所述的材料，其中所述锰氧化物颗粒在大孔树脂的合成过程中通过物理作用被固定就位。
3.根据权利要求2所述的材料，其中所述负载有锰氧化物的大孔树脂具有柔顺性，其通过在制备所述大孔树脂的悬浮液中加入纤维性基材而实现。
4.根据权利要求3所述的材料，其中所述纤维性基材是过滤棉、无纺布或纱布。
5.根据权利要求2所述的材料，其中所述负载所述锰氧化物的大孔树脂是薄片状的。
6.根据权利要求2所述的材料，其中所述负载所述锰氧化物的大孔树脂是分层的。
7.根据权利要求6所述的材料，其中在层与层之间设置有层间隔离层。
8.根据权利要求7所述的材料，其中所述层间隔离层为带孔的锡箔纸。
9.根据权利要求1所述的材料，其中所述大孔树脂是羟基化树脂。
10.一种空气净化炭包，其由权利要求1～9中任一项所述的空气净化材料包覆活性炭制成。
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