吸附多环芳烃气体的金属氧化物的制备方法

摘要

一种吸附多环芳烃气体的金属氧化物的制备方法，属于材料制备技术领域。本发明材料的制备具体步骤如下：将1～6mol金属盐均匀混合水溶液，加入1～5mol弱碱和1～5mol强碱混合水溶液，保温0.1～20小时，制得白色纳米颗粒粉，置于加热炉子之中加热到300～700℃，保温0.1－26小时，待冷却后得到金属氧化物纳米层板状颗粒材料。本发明可以选择满足表面层结构的苯并芘分子沉积，具有选择性吸附气体之中的致癌苯并芘等多环芳烃类有毒物质的特性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种属于材料制造技术领域的氧化物的制备方法，具体地说，是一种吸附多环芳烃气体的金属氧化物的制备方法。

背景技术

吸食卷烟的危害日益被人们所关注，世界各国都把降低卷烟烟气的烟毒物质作为烟草科研的应用课题，各国政府都对卷烟中的焦油含量进行了严格的限制。中国政府也确定了将卷烟中焦油含量降至15mg以下的规定。关于低危害香烟的研制，一般采用在滤嘴中加入吸附和催化气体中有毒物质的材料[如Al₂O₃、氧化硅、活性碳、分子筛为载体的Pd-Cu-V强碱(U.S.Patent 4845065)等粉粒材料、有机聚合物及其他反应性物质等]降低烟害。这些材料对吸附和催化部分CO等烟气中的小分子有毒物质确实有效，但是这些材料几乎无选择性的吸附和催化卷烟烟气，难以保持卷烟的品味浓度、风格品质和低吸阻要求。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号：85104153，发明名称为：丙烯酸型弱碱性阴离子交换树脂的合成方法，采用胺基弱碱类多种高分子化合物制成丙烯酸弱碱性大孔结构共聚物，对聚合物大离子团具有高容量和特殊的吸附能力。但是，这种弱碱性高分子化合物聚合体结构有序性很低、吸除气体中有毒物质的选择性低，而且制备工艺方法需用苯类有机有毒溶剂。本发明则利用金属盐、弱碱和强碱类多种无机化合物水溶液，采用分步溶解、混合、搅拌的方法，组合反应制成弱碱性高比表面的纳米层板状材料，这种新材料具有高选择性吸除气体中有毒物质的效能，可加入各种卷烟过滤嘴内对卷烟烟气中主要的多环芳烃气体分子进行选择性吸附。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种吸附多环芳烃气体的金属氧化物的制备方法，使其通过几种金属盐的化学配比和复合结构体形成反应，制备纳米层板状结构金属氧化物材料，用作选择性吸附多环芳烃类有毒物质的纳米金属氧化物功能材料。根据应用需要，纳米层板状结构金属氧化物材料层板结构的表面结构，化学组成、分子识别能力、层板尺寸、等可在较大范围内调控，选择吸附芳烃类等有害物质。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明材料的组成要求如下：铝、镁、锌、铁四种金属原子和氧原子组成复合金属氧化物，设这种金属氧化物中金属铝、镁、锌、铁原子所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，则m＝10～84％，n＝10～88％，x＝0～80％，y＝0～80％，这种金属氧化物中氧原子数与总金属原子数的比值为1.0～2.0，具体步骤如下：

(1)将金属盐加入水溶液，用强烈机械搅拌和超声波振动制造均匀混合溶液A；

(2)将弱碱加入水溶液，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液B；

(3)将强碱加入水溶液，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液C；

(4)在强烈搅拌下将均匀混合溶液B缓慢滴加入均匀混合溶液C，滴加完后继续搅拌，得到均匀混合溶液E；

(5)强烈搅拌下将均匀混合溶液E缓慢滴加入均匀混合溶液A，滴加完后继续搅拌，得到均匀混合溶液F；

(6)混合溶液F强烈搅拌，同时加热并保温，得到乳白状均匀混合溶液G；

(7)将混合溶液G加入分离器，分离出砂浆状纳米粒子；

(8)将砂浆状纳米粒子加入过滤洗涤器，加入水溶液洗涤纳米粒子表面，得到清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料；

(9)将清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料放入烘干箱或者喷雾干粉器，加热以除去水气，得到乳白色沙状纳术粒子干粉材料；

(10)将干燥的乳白色沙状纳米粒子材料置于马氟炉中，保温和老化，即得到具有吸附气体中多环芳烃类有毒物质性能的金属氧化物纳米材料。

所述的金属盐是1～6mol。

所述的金属盐选用摩尔含量为80～99％的硝酸盐、硫酸盐、氯酸盐，设这种金属盐中金属铝、镁、锌、铁所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，则m＝1～32％，n＝1～68％，x＝0.01～35％，y＝0.01～26％。

所述的超声波为10至300瓦。

所述的弱碱是1～5mol。

所述的弱碱选用醋酸盐、碳酸盐、碳氢酸盐、草酸盐、氨水。

所述的弱碱进一步限定为由金属钾、钠2种金属的盐类组成。

所述的强碱选用氢氧化钠、氢氧化钾。

所述的强碱是1～5mol。

所述的搅拌，其时间为0.1-10小时。

所述的步骤6中的加热为30～100℃。

所述的步骤6中的保温为0.1～26小时。

所述的分离器选择过滤器或离心分离器。

所述的步骤9中的加热为60～110℃。

所述的马氟炉，其温度为300～700℃。

所述的步骤10中的保温和老化，其时间为0.1～24小时。

本发明提供一种高选择性、性能稳定、可高温处理的具有可逆性重复利用的纳米层板状结构金属氧化物材科，这种纳米功能材料具有高比表面活性中心的层板状纳米结构和较低的生产成本，其物理、化学、和机械性能适合添加入卷烟滤嘴，有效的降低卷烟主流烟气粒相物中的稠环芳烃类物质含量，和吸除环境气体中多环芳烃类有毒物质，保护人体健康。这种纳米材料具有纳米层板结构和表面活性中心，可以吸附多环芳烃类有毒物质在表面沉积，并且对苯并芘分子有比较高的选择性和沉积效率。这类金属氧化物纳米材料具有纳米层板状结构，层板厚度尺寸为纳米级，但是层板平面尺寸为数微米，远大于一般纳米粉粒的尺寸，不但适合应用于卷烟过滤嘴，提高滤嘴的吸除苯并芘和滤毒功能，而且，适合于利用吸附法选择性去除有机污染的多种环境净化问题。这类金属氧化物纳米层板材料的表面积在每克50m²至1200m²之间，适合通过物理、化学、机械和加工、组装等技术，将这种纳米吸附材料添加和有效组装至卷烟滤嘴中或者各种吸附结构之中，可以制造出先进纳米技术降焦降害的有利于健康的卷烟，也可以用于吸附环境中多环芳烃类有毒物质。

具体实施方式

实施例1

本发明材料的组成要求如下：铝、镁、锌、铁四种金属原子和氧原子组成复合金属氧化物，设金属氧化物中金属铝、镁、锌、镍、铁原子所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝32％，n＝68％，x＝0，y＝0，氧原子数与总金属原子数的比值为1.7的金属氧化物纳米层板状材料。

具体步骤如下：

(1)1mol金属盐加入水溶液，剧烈搅拌混合。其中，金属盐中金属铝、镁、锌、铁原子所占四种金属原子总数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝32％，n＝68％，x＝0，y＝0，所述金属盐由以上原子比例份额范围组成，用强烈搅拌和超声波振动制到均匀混合溶液A。

(2)将5mol弱碱加入水溶液，所述弱碱选用醋酸盐，所述金属选择钠，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液B。

(3)将1mol强碱加入水溶液，所述强碱选用氢氧化钠，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液C。

(4)在强烈搅拌下将均匀混合溶液B缓慢滴加入均匀混合溶液C，滴加完后继续搅拌10小时，得到均匀混合溶液E。

(5)在强烈搅拌下将均匀混合溶液E缓慢滴加入均匀混合溶液A，滴加完后继续搅拌10小时，得到均匀混合溶液F。

(6)将混合溶液F强烈搅拌，同时加热到100℃，并保温26小时，得到乳白状均匀混合溶液G。

(7)将混合溶液G加入过滤器，把大部分水溶液去除，得到砂浆状纳米粒子。

(8)将砂浆状纳米粒子加入过滤洗涤器，加入水溶液洗涤纳米粒子表面，得到清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料。

(9)将清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料放入烘干箱，加热到110℃除去水气，得到乳白色沙状纳米粒子干粉材料。

(10)将干燥的乳白色沙状纳米粒子材料置于300℃的马氟炉中，保温和老化24小时，即得到具有吸附气体中多环芳烃类有毒物质性能的金属氧化物纳米材料。

所述的超声波为10瓦。

这种纳米功能材料具有高比表面活性中心的层板状纳米结构，具有高选择性吸附气体中多环芳烃类有毒物质。将这类金属氧化物纳米层板状材料，以粉末状混入卷烟过虑嘴的醋酸纤维内，制成卷烟的过虑嘴，每只卷烟滤嘴的纳米层板状材料的含量为1毫克至200毫克之间，待吸烟时，卷烟主流烟气通过卷烟过虑嘴的过程中，吸除气体中多环芳烃类有毒物质。

将这类金属氧化物纳米层板状材料的粉末状制成疏松多孔隙的球状颗粒体，颗粒体的直径尺度在1微米至500微米之间，置于卷烟过虑嘴内的醋酸纤维的间隙内，制成卷烟的过虑嘴，每只卷烟滤嘴的球状颗粒体的含量为1毫克至300毫克之间，待吸烟时，卷烟主流烟气通过卷烟过虑嘴的过程中，吸除气体中多环芳烃类有毒物质。

实施例2

本发明材料的组成要求如下：铝、镁、锌、铁四种金属原子和氧原子组成复合金属氧化物，设金属氧化物中金属铝、镁、锌、镍、铁原子所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝10％，n＝10％，x＝75％，y＝5％，氧原子数与总金属原子数的比值约为1.6的金属氧化物纳米层板状材料。

(1)将1mol金属盐加入水溶液，剧烈搅拌混合。其中，金属盐中金属铝、镁、锌、铁原子所占四种金属原子总数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝10％，n＝10％，x＝75％，y＝5％，所述金属盐由以上金属原子比例范围组成，用强烈搅拌和超声波振动制到均匀混合溶液A。

(2)将5mol弱碱加入水溶液，所述弱碱选用碳酸盐，所述金属盐由金属钾组成，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液B。

(3)将1mol强碱加入水溶液，所述强碱选用氢氧化钾，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液C。

(4)在强烈搅拌下将均匀混合溶液B缓慢滴加入均匀混合溶液C，滴加完后继续搅拌10小时，得到均匀混合溶液E。

(5)在强烈搅拌下将均匀混合溶液E缓慢滴加入均匀混合溶液A，滴加完后继续搅拌10小时，得到均匀混合溶液F。

(6)将混合溶液F强烈搅拌，同时加热到80℃，并保温26小时，得到乳白状均匀混合溶液G。

(7)将混合溶液G加入分离器，所述分离器可以选择过滤器、离心分离器，分离出砂浆状纳米粒子。

(8)将砂浆状纳米粒子加入过滤洗涤器，加入水溶液洗涤纳米粒子表面，得到清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料。

(9)将清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料放入烘干箱或者喷雾干粉器，加热到60℃除去水气，得到乳白色沙状纳米粒子干粉材料。

(10)将干燥的乳白色沙状纳米粒子材料置于500℃的马氟炉中，保温和老化24小时，即得到具有吸附气体中多环芳烃类有毒物质性能的金属氧化物纳米材料。

所述的超声波为100瓦。

这种纳米功能材料具有选择性吸附气体中多环芳烃类有毒物质。将这类金属氧化物纳米层板状材料，以粉末状混入卷烟过虑嘴的醋酸纤维内，制成卷烟的过虑嘴，每只卷烟滤嘴的纳米层板状材料的含量为1毫克至200毫克之间，待吸烟时，卷烟主流烟气通过卷烟过虑嘴的过程中，吸除气体中多环芳烃类有毒物质。

将这类金属氧化物纳米层板状材料的粉末状制成疏松多孔隙的球状颗粒体，颗粒体的直径尺度在1微米至500微米之间，置于卷烟过虑嘴内的醋酸纤维的间隙内，制成卷烟的过虑嘴，每只卷烟滤嘴的球状颗粒体的含量为1毫克至300毫克之间，待吸烟时，卷烟主流烟气通过卷烟过虑嘴的过程中，吸除气体中多环芳烃类有毒物质。

实施例3

本发明材料的组成要求如下：铝、镁、锌、铁四种金属原子和氧原子组成复合金属氧化物，设金属氧化物中金属铝、镁、锌、镍、铁原子所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝10％，n＝10％，x＝4％，y＝76％，氧原子数与总金属原子数的比值约为1.5的金属氧化物纳米层板状材料。

(1)将6mol金属盐加入水溶液，剧烈搅拌混合。其中，金属盐中金属铝、镁、锌、铁原子所占四种金属原子总数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝10％，n＝10％，x＝4％，y＝76％，所述金属盐由以上金属原子比例范围组成，用强烈搅拌和超声波振动制到均匀混合溶液A。

(2)将5mol弱碱加入水溶液，所述弱碱选用碳酸盐，所述金属盐由金属钠组成，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液B。

(3)将1mol强碱加入水溶液，所述强碱选用氢氧化钠，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液C。

(4)在强烈搅拌下将均匀混合溶液B缓慢滴加入均匀混合溶液C，滴加完后继续搅拌5小时，得到均匀混合溶液E。

(5)在强烈搅拌下将均匀混合溶液E缓慢滴加入均匀混合溶液A，滴加完后继续搅拌5小时，得到均匀混合溶液F。

(6)混合溶液F强烈搅拌，同时加热到100℃，并保温0.1小时，得到乳白状均匀混合溶液G。

(7)将混合溶液G加入分离器，所述分离器可以选择过滤器、离心分离器或者喷雾干粉器，把大部分水溶液去除，得到砂浆状纳米粒子。

(8)将砂浆状纳米粒子加入过滤洗涤器，加入水溶液洗涤纳米粒子表面，得到清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料。

(9)将清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料放入烘干箱或者喷雾干粉器，加热到60℃除去水气，得到乳白色沙状纳米粒子干粉材料。

(10)将干燥的乳白色沙状纳米粒子材料置于300℃的马氟炉中，保温和老化0.2小时，即得到具有吸附气体中多环芳烃类有毒物质性能的金属氧化物纳米材料。

所述的超声波为300瓦。

这种纳米功能材料具有高比表面活性中心的层板状纳米结构，性吸附气体中多环芳烃类有毒物质的量和选择适中，可有效的降低卷烟主流烟气气相物中的稠环芳烃类物质。

实施例4

本发明材料的组成要求如下：铝、镁、锌、铁四种金属原子和氧原子组成复合金属氧化物，设金属氧化物中金属铝、镁、锌、镍、铁原子所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝84％，n＝10％，x＝3％，y＝3％，氧原子数与总金属原子数的比值约为2.0的金属氧化物纳米层板状材料。

(1)将6mol金属盐加入水溶液，剧烈搅拌混合。其中，金属盐中金属铝、镁、锌、铁原子所占四种金属原子总数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝84％，n＝10％，x＝3％，y＝3％，所述金属盐由以上金属原子比例范围组成，用强烈搅拌和超声波振动制到均匀混合溶液A。

(2)5mol弱碱加入水溶液，所述弱碱选用碳酸盐，所述金属盐由金属钠组成，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液B。

(3)将1mol强碱加入水溶液，所述强碱选用氢氧化钠，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液C。

(4)在强烈搅拌下将均匀混合溶液B缓慢滴加入均匀混合溶液C，滴加完后继续搅拌10小时，得到均匀混合溶液E。

(5)在强烈搅拌下将均匀混合溶液E缓慢滴加入均匀混合溶液A，滴加完后继续搅拌10小时，得到均匀混合溶液F。

(6)将混合溶液F强烈搅拌，同时加热到30℃，并保温12小时，得到乳白状均匀混合溶液G。

(7)将混合溶液G加入分离器，所述分离器可以选择过滤器、离心分离器或者喷雾干粉器，把大部分水溶液去除，得到砂浆状纳米粒子。

(8)将砂浆状纳米粒子加入过滤洗涤器，加入水溶液洗涤纳米粒子表面，得到清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料。

(9)将清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料放入烘干箱或者喷雾干粉器，加热到80℃除去水气，得到乳白色沙状纳米粒子干粉材料。

(10)将干燥的乳白色沙状纳米粒子材料置于500℃的马氟炉中，保温和老化14小时，即得到具有吸附气体中多环芳烃类有毒物质性能的金属氧化物纳米材料。

这种纳米功能材料具有高比表面活性中心的层板状纳米结构，性吸附气体中多环芳烃类有毒物质的量和选择适中，可有效的降低卷烟主流烟气气相物中的稠环芳烃类物质。

所述的超声波为200瓦。

实施例5

本发明材料的组成要求如下：铝、镁、锌、铁四种金属原子和氧原子组成复合金属氧化物，设金属氧化物中金属铝、镁、锌、镍、铁原子所占总金属原子数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝10％，n＝88％，x＝1％，y＝1％，氧原子数与总金属原子数的比值约为1.0的金属氧化物纳米层板状材料。

(1)将6mol金属盐加入水溶液，剧烈搅拌混合。其中，金属盐中金属铝、镁、锌、铁原子所占四种金属原子总数的百分比分别为m、n、x、y，以m＝10％，n＝88％，x＝1％，y＝1％，所述金属盐由以上金属原子比例范围组成，用强烈搅拌和超声波振动制到均匀混合溶液A。

(2)将5mol弱碱加入水溶液，所述弱碱选用碳酸盐，所述金属盐由金属钠组成，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液B。

(3)将1mol强碱加入水溶液，所述强碱选用氢氧化钠，用强烈搅拌和超声波振动得到均匀混合溶液C。

(4)在强烈搅拌下将均匀混合溶液B缓慢滴加入均匀混合溶液C，滴加完后继续搅拌5小时，得到均匀混合溶液E。

(5)在强烈搅拌下将均匀混合溶液E缓慢滴加入均匀混合溶液A，滴加完后继续搅拌5小时，得到均匀混合溶液F。

(6)将混合溶液F强烈搅拌，同时加热到80℃，并保温16小时，得到乳白状均匀混合溶液G。

(7)将混合溶液G加入分离器，所述分离器可以选择过滤器、离心分离器或者喷雾干粉器，把大部分水溶液去除，得到砂浆状纳米粒子。

(8)将砂浆状纳米粒子加入过滤洗涤器，加入水溶液洗涤纳米粒子表面，得到清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料。

(9)将清洗洁净的砂浆状纳米粒子材料放入烘干箱或者喷雾干粉器，加热到110℃除去水气，得到乳白色沙状纳米粒子干粉材料。

(10)将干燥的乳白色沙状纳米粒子材料置于300℃的马氟炉中，保温和老化14小时，即得到具有吸附气体中多环芳烃类有毒物质性能的金属氧化物纳米材料。

所述的超声波为200瓦。

这种纳米功能材料具有高比表面活性中心的层板状纳米结构，性吸附气体中多环芳烃类有毒物质的量和选择适中，可有效的降低卷烟主流烟气气相物中的稠环芳烃类物质。