CN117225384B

CN117225384B - 一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN117225384B
Application number: CN202311504063.6A
Authority: CN
Inventors: 胡儒柱; 王用
Original assignee: TIANJIN DERUI FENGKAI NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: TIANJIN DERUI FENGKAI NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2023-11-13
Filing date: 2023-11-13
Publication date: 2024-02-09
Anticipated expiration: 2043-11-13
Also published as: CN117225384A

Abstract

本发明涉及一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及甲醛和贵金属吸附技术领域，由原材料硫、二(三)胺化合物、苯二乙酸和氮化碳(g‑C₃N₄)以摩尔比1～4：0.5～2：0.5～2：1，同时添加到超声微波两用反应器中，加入有机溶剂，超声0.1~1h，原材料混合均匀后，进行微波加热反应，醇清洗，干燥，干燥后获得吸附甲醛和贵金属复合材料。氮化碳(g‑C₃N₄)与含S和N聚合物功能化结合后，氮化碳变得更加分散，缺陷胺基更加丰富，复合材料功能发生叠加协同效应，使得材料可以与贵金属表现出更强配位作用，吸附贵金属能力更强；材料表面上增加N和S等杂原子，增强对甲醛中羰基碳正离子的静电吸引力，从而提高甲醛吸附速度和平衡吸附量。

Description

一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于甲醛和贵金属吸附技术领域，具体涉及在超声微波两用反应器中，高效制备吸附甲醛和贵金属复合材料的方法和应用技术，尤其是一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着时代的发展和科技的进步，由于大量不可再生自然资源的不断消耗，特别是贵重金属的开采及应用，如何回收尾矿或工业废液/废气中的贵金属对于社会的可持续发展及节约不可再生自然资源具有重要的社会及经济意义。甲醛是一种严重危害人类身体健康的化学污染物，过量的甲醛吸入会诱发人体的多种器官和系统产生病变导致一系列疾病的出现。在室内装修时使用含甲醛的材料以及家具不可避免地导致室内甲醛含量超标，如何经济高效的去除室内游离甲醛成为人们急需解决的问题。

目前甲醛的去除方法主要有吸附法、金属催化氧化法、光催化降解法、生物去除法，其中吸附法操作简单、适用性强，是治理室内甲醛最常用且极具发展前景的方法。然而常用的甲醛吸附剂如普通碳材料，活性炭、石墨烯等，吸附容量不够高，很容易达到饱和，且容易受到外界温度、湿度以及压力的影响而脱附造成二次污染。而像金属有机框架和多孔有机聚合物等新型吸附材料所需的复杂制备工艺与制备成本，则成为了限制其在甲醛去除领域发展的重要因素。

除甲醛一个很重要的方法就是化学吸附法--氨基酸除甲醛，是利用氨基酸中的氨基(R-NH-R)和甲醛发生发应，从而将甲醛分解成羟甲基衍生物和水等对人体无害的物质，以达到安全除甲醛的目的。根据硬-软-酸碱理论，硫（S）和氮（N）是软给体，可以为金属离子提供高亲和力。材料中含硫和氮的官能团，可以与贵金属表现出强配位作用，从而达到吸附贵金属的目的。

目前除甲醛或者吸附贵金属的材料，一般有机溶剂或强碱作为溶剂对碳材料掺杂，但工艺中使用昂贵掺杂剂，且易产生有毒废弃物。有的工艺中需使用高温高压等严苛条件。有的工艺采用先碳化后功能化等方法，过程较繁杂。目前并未有同时用于甲醛和贵金属吸附材料的研究报导，因此，急需一种能够高效去除室内游离甲醛、且能够同时用于甲醛和贵金属吸附材料的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能够高效去除室内游离甲醛的高效吸附甲醛和贵金属复合材料及其制备方法和应用。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料，由原材料硫、二(三)胺化合物、苯二乙酸和氮化碳(g-C₃N₄)以摩尔比1～4：0.5～2：0.5～2：1，同时添加到超声微波两用反应器中，加入有机溶剂，超声0.1~1h，原材料混合均匀后，进行微波加热反应，有机溶剂清洗，醇清洗，干燥，干燥后获得吸附甲醛和贵金属复合材料。

一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、分别取尿素和柠檬酸钠的固体，加入超声微波两用反应器中，混合物进行充分搅拌混合均匀后，在180～250℃下热处理1～4h，（优选200℃， 1小时）所得产物进行洗涤并用纯水透析24h，即得氮化碳(g-C₃N₄)；

S2、分别取硫、二(三)胺化合物和苯二乙酸，与步骤S1中制备的氮化碳(g-C₃N₄)同时放入超声微波两用反应器中，加入溶剂进行超声溶解；

S3、超声溶解0.1～1h后，开启微波加热，恒速升温至80℃~150℃，然后进行恒温保持1~6h；

S4、反应完成后，自然冷却至室温，有机溶剂清洗，离心，再醇清洗离心后得沉淀物，将所得沉淀物干燥6～30h，即得吸附甲醛和贵金属复合材料。

优选地，在所述步骤S1中，所述的混合物的处理温度优选为230℃。

优选地，在所述步骤S2中，所述的硫可以是升华硫和单质硫的任一一种，更优选为升华硫。

优选地，在所述步骤S2中，所述的二(三)胺化合物可以是尿素、硫脲，三聚氰胺，乙二胺，丙二胺，丁二安，戊二胺，己二胺中的任一一种，更优选为三聚氰胺。

优选地，在所述步骤S2中，所述的苯二乙酸可以是1，2-苯二乙酸，1，3-苯二乙酸，1，4-苯二乙酸中的任一一种，更优选为1，4-苯二乙酸。

优选地，在所述步骤S2中，所述的硫、二(三)胺化合物、苯二乙酸与氮化碳(g-C₃N₄)的摩尔比为1～4：0.5～2：0.5～2：1，更优选摩尔比为2：0.8：1：1。

优选地，在所述步骤S2中，所述的加入溶剂可以是乙醇，乙二醇，DMF，DMSO的任一一种，更优选为DMSO。

优选地，在所述步骤S3中，超声溶解的时间更优选为0.4～0.6h。

优选地，在所述步骤S3中，微波加热的反应温度优选为80℃~150℃，更优选为90-110℃。

优选地，在所述步骤S3中，微波加热的反应时间优选为1~6h，更优选为3-4h。

优选地，在所述步骤S4中，所述的醇优选为甲醇和乙醇。

优选地，在所述步骤S4中，干燥的条件优选为冷冻干燥和超临界干燥，更优选为冷冻干燥。

优选地，所述的超声微波两用反应器具有微波、超声波、紫外光、电动搅拌、磁力搅拌等多种催化方式任一组合。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明中所采用的基础化工产品为原材料，通过超声微波辅助合成富含氮硫的吸附甲醛和贵金属复合材料，所使用的设备较简单、反应条件温和，且过程的安全性较高；在制备过程中不需要使用任何催化剂，利用超声微波两用反应器降低了制备过程的复杂性，有效缩短了反应时间和提高目标产物的收率；并且该方法操作稳定性较好、不对环境产生污染，符合环保和经济性原则，故比较适合工业化推广。

2、本发明采用一锅法方式，将市售的硫、二(三)胺化合物、苯二乙酸和氮化碳(g-C₃N₄)以一定的质量比一起添加到超声微波两用反应器中，在适量有机溶剂和一定温度下反应一段时间，即可得到吸附甲醛和贵金属复合材料，氮化碳(g-C₃N₄)与含S和N聚合物功能化结合后，氮化碳变得更加分散，缺陷胺基更加丰富，复合材料功能发生叠加协同效应，使得材料可以与贵金属表现出更强配位作用，吸附贵金属能力更强；材料表面上增加N和S等杂原子，增大了材料表面电子云密度，增强对甲醛中羰基碳正离子的静电吸引力，从而提高甲醛吸附速度和平衡吸附量。

3、本发明以常规化工原料为碳源、硫源和氮源，在超声微波作用下，通过温和反应条件得到富含氮硫的功能材料，合成了氮硫功能化氮化碳材料，通过叠加协同效应，可以大幅提高材料的吸附能力。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料，由原材料硫、二(三)胺化合物、苯二乙酸和氮化碳(g-C₃N₄)以摩尔比1～4：0.5～2：0.5～2：1，同时添加到超声微波两用反应器中，加入有机溶剂，超声0.1~1h，原材料混合均匀后，进行微波加热反应，有机溶剂清洗，醇清洗，干燥，干燥后获得吸附甲醛和贵金属复合材料。所述氮化碳(g-C₃N₄)为石墨相氮化碳。

一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、分别取尿素和柠檬酸钠的固体，加入超声微波两用反应器中，混合物进行充分搅拌混合均匀后，在180～250℃下热处理1～4h，所得产物进行洗涤并用纯水透析24h，即得氮化碳(g-C₃N₄)；

实施例1

S1、分别取尿素和柠檬酸钠的固体，加入超声微波两用反应器中，混合物进行充分搅拌混合均匀后，在230℃下热处理3h，所得产物进行洗涤并用纯水透析24h，即得氮化碳(g-C₃N₄)；

S2、精确称量4.0克升华硫、5.0三聚氰胺、12克1，4-苯二乙酸、2克g-C₃N₄和50mlDMSO，同时放入超声微波两用反应器中，并加入机械搅拌，超声溶解30分钟；

S3、开启微波加热，设定加热温度为110℃，加热速率为5℃/min，反应器温度恒定后，保持4小时；

S4、反应结束后，自然冷却至室温，混合物中加入100ml DMF，所得混合物进行离心分离，将所得沉淀物用甲醇洗涤5次后，冷冻干燥6小时，冷冻温度为-10℃，即可获得目标产物—吸附甲醛和贵金属复合材料。

目标产物总收率为90.5%。

所述反应式如下：

实施例2

S2、精确称量8.0克单质硫、9.6克己二胺、24克1，3-苯二乙酸、4克g-C₃N₄和100mlDMSO，同时放入超声微波两用反应器中，并加入机械搅拌，超声溶解20分钟；

S3、开启微波加热，设定加热温度为115℃，加热速率为5℃/min，反应器温度恒定后，保持3小时；

S4、反应结束后，自然冷却至室温，混合物中加入100ml 乙二醇，所得混合物进行离心分离，将所得沉淀物用甲醇洗涤4次后，冷冻干燥8小时，冷冻温度为-5℃，即可获得目标产物—吸附甲醛和贵金属复合材料。

目标产物总收率为94.5%。

所述反应式如下：

实施例3

S2、精确称量2.0克单质硫、5.1克硫脲、6克1,4-苯二乙酸、1克g-C₃N₄和20ml DMSO，同时放入超声微波两用反应器中，并加入机械搅拌，超声溶解40分钟；

S3、开启微波加热，设定加热温度为116℃，加热速率为5℃/min，反应器温度恒定后，保持2.5小时；

S4、反应结束后，自然冷却至室温，混合物中加入50ml乙二醇，所得混合物进行离心分离，将所得沉淀物用甲醇洗涤6次后，冷冻干燥7小时，冷冻温度为-8℃，即可获得目标产物—吸附甲醛和贵金属复合材料。

目标产物总收率为93.8%。

所述反应式如下：

实验例1

甲醛吸附实验：

将10g实施例1～3得到的功能树脂分别装柱，将甲醛浓度为40mg/m³的空气以30mL/min的流速流经树脂柱，捕集出口处的羰基化合物，参照GB/T9733-2008测定各羰基化合物的浓度。当出口甲醛浓度达到0.5mg/m³空气时定义为泄露体积，通过泄露体积计算得到各个复合材料对甲醛的吸附量，单位为mg/g。

结果如表1所示。

表1为甲醛吸附量结果

胺基去除甲醛的反应机理如下：

实验例2

黄金吸附实验：

称取50 mg例1～3得到的功能树脂移入容量为150 ml的烧杯中，再将50 ml的浓度为100ppm的黄金离子Au³⁺溶液加入到烧杯中，在恒温水浴锅中以120 r min^-1的频率振荡120分钟，过滤，对滤液中的Au³⁺浓度进行测量。采用原子吸收分光光度计（火焰法）测定Au³⁺离子浓度，复合材料的吸附容量按以下式计算。

Q=(C₀-C_e)*V/Mm

其中：Q为吸附容量，mmol·g^-1，C₀为离子的初始浓度，mg·ml^-1；Ce为吸附平衡时浓度，mg·ml^-1；V为溶液体积，ml；M为金属离子的摩尔质量，g·mol^-1；m为功能树脂，g。

结果如表2所示。

表2为黄金吸附率结果

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims

1.一种高效吸附甲醛和贵金属复合材料在作为吸附甲醛制剂或制品中的应用，其特征在于：由原材料硫、二胺或三胺化合物、苯二乙酸和氮化碳以摩尔比1～4：0.5～2：0.5～2：1，同时添加到超声微波两用反应器中，加入有机溶剂，超声0.1~1h，原材料混合均匀后，进行微波加热反应，有机溶剂清洗，醇清洗，干燥，干燥后获得吸附甲醛和贵金属复合材料；

具体包括以下步骤：

S1、分别取尿素和柠檬酸钠的固体，加入超声微波两用反应器中，混合物进行充分搅拌混合均匀后，在180～250℃下热处理1～4h，所得产物进行洗涤并用纯水透析24h，即得氮化碳；

S2 、分别取硫、二胺或三胺化合物和苯二乙酸，与步骤 S1 中制备的氮化碳同时放入超声微波两用反应器中，加入溶剂进行超声溶解；

S3 、超声溶解 0.1～1h 后，开启微波加热，恒速升温至 80℃～150℃ , 然后进行恒温保持1～6h；

S4、反应完成后，自然冷却至室温，有机溶剂清洗，离心，再醇清洗离心后得沉淀物，将所得沉淀物干燥6～30h，即得吸附甲醛和贵金属复合材料；所述步骤S4中，干燥的条件

为冷冻干燥或超临界干燥；

所述的超声微波两用反应器具有微波、超声波、紫外光、电动搅拌和磁力搅拌功能。

2.根据权利要求 1 所述的应用，其特征在于：所述的硫为升华硫或单质硫。

3.根据权利要求 1 所述的应用，其特征在于：所述的二胺或三胺化合物为尿素，硫脲，三聚氰胺，乙二胺，丙二胺，丁二胺，戊二胺，己二胺中的一种。

4.根据权利要求 1 所述的应用，其特征在于：所述的苯二乙酸为 1 ，2-苯二乙酸，1 ，3-苯二乙酸，1 ，4-苯二乙酸中的一种或至少两种的混合物。

5.根据权利要求 1 所述的应用，其特征在于：所述的有机溶剂为乙醇，乙二醇，DMF，DMSO的一种或至少两种的混合物。

6.根据权利要求 1 所述的应用，其特征在于：在所述步骤 S4 中，所述的醇为甲醇或乙醇。