一种用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料及其制备方法，属于空气净化材料领域。一种用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料，其特征在于：所述复合材料具有核壳结构，其由含有多孔炭材料的核材料和含有催化组分的壳材料组成；所述核材料和壳材料均具有用于气体流通的孔道。本发明所述多孔复合材料可以改变材料成型工艺简单，容易操作。对甲醛的净化容量能够达到6.05mg/g，对甲苯的净化容量高达299.41mg/g。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料及其制备方法，属于空气净化材料领域。

背景技术

近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，新居室大量建成，室内的装潢形式也越来越复杂多样化。我国《室内空气质量标准》中规定居室中甲醛的最高允许浓度为0.10mg/m³，绝大多数新装修家庭在装修完成后5-10个月内室内甲醛浓度超标几倍到十几倍，对人体健康有着严重的负面影响。另外，不仅是甲醛，而且还有苯，甲苯，二甲苯等具有易挥发性及难分解性的有机化合物(TVOCs)等。因此研制高效、环保、无二次污染的多功能复合型空气净化材料具有重要的意义。

技术的检索发现：文献公开了一种空气净化材料，所述空气净化材料是将高锰酸钾、醋酸锰、氢氧化钠按一定质量比溶解、混合反应、压滤制得功能组分。并将其与结构助剂混合、挤出成型，烘干制得颗粒直径为2-4mm，长度5-12mm的净化材料，净化材料的比表面积为110-120m²/g，真实密度为0.7-0.8g/mL。以所述净化材料的总质量为100％计，其中各组分的质量百分含量如下：活性组分35-60％，其他功能性结构助剂为40-65％。该空气净化材料在应用过程中，其净化能力及颗粒强度易受应用环境的温湿影响，且其内部孔隙结构数量有限，使得气体污染物不能或少量进入材料内部的孔隙中，降低了气体污染物与材料内部活性组分的接触几率，进而导致净化材料的净化效率降低，使用寿命短，同时也造成了材料内部活性组分的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长效净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料及其制备方法。

一种用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料，所述复合材料具有核壳结构，其由含有多孔炭材料的核材料和含有催化组分的壳材料组成；所述核材料和壳材料均具有用于气体流通的孔道。

上述技术方案中，所述催化组分用于催化分解甲醛及TVOCs。

进一步地，所述多孔炭材料为改性的活性炭颗粒，其按下述方法制备：将活性炭颗粒置于1mol/L的硝酸溶液中，50℃恒温搅拌浸渍12h；用水洗涤至洗涤液pH为6.5～7.5，然后在85～105℃恒温干燥24h，其中，活性炭颗粒与硝酸溶液的比为1g：2～8mL。

活性炭拥有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，加之化学性质稳定，机械强度高，耐酸，耐碱，耐热，不溶于水和有机溶液，可以再生，是一种优良的高强度骨架材料。改性处理过的在活性炭表面引入或失去某些官能团，使活性炭容易与其它功能组分(粘结剂，催化组分等)结合在一起。同时还具有某种特殊的吸附性能和催化特征。将改性后的活性炭引入复合材料中，可以增强颗粒本身的强度，同时也丰富颗粒内部的孔隙结构，使气体污染物-甲醛，更容易进入颗粒内部，与催化组分粒子结合并迅速转化成二氧化碳和水，不会造成二次污染。改性后的活性炭组分内部孔道更为丰富，且对极性及非极性的TVOCs气体污染物分子有着明显的上升趋势。通过物理复合后的净化材料，不同功能组分对甲醛及TVOCs的净化能力彼此不会受到限制。复合材料中多种催化组分的协同作用，大幅度提升了其对甲醛及TVOCs的净化能力。

更进一步地，所述核材料含有催化组分。具体地，本发明优选所述核材料，按重量份由下述原料制得：

上述技术方案中，优选所述核材料按下述方法制备：将改性的活性炭颗粒、粘结助剂、催化组分、造孔剂混合均匀后，加水捏合充分、挤出成型，室温避光干燥、通风条件下放置至少48h，得核材料颗粒。

上述技术方案中，所述核材料颗粒的形状可以根据需要进行制备，如球形、圆柱形等，优选其为直径2mm，颗粒长度2～4mm的圆柱形颗粒。

上述技术方案中，优选所述造孔剂为碳酸氢钠(NaHCO₃)，优选将NaHCO₃添加到物料中时，预先溶解在水中，其水溶液质量百分浓度为0.6％～0.8％。

上述技术方案中，优选所述粘结助剂为凹凸棒黏土、膨润土、糊精、高岭土中的一种或其组合。

上述技术方案中，优选所述活性炭颗粒为椰壳活性炭，颗粒粒度为100目、150目、200目、250目、300目或其两种及三种的组合。

本发明所述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料优选所述壳材料按下述方法制备：将催化组分、粘合剂、水按比例加入搅拌罐中，搅拌30min，搅拌速度为1800～3200r/min，过胶体磨2次，得壳材料浆液，

其中，催化组分、粘结剂和水的重量比为4～6：5～9：70～105。

上述技术方案中，优选所述的粘合剂为凹凸棒黏土、膨润土、糊精、高岭土中的一种或几种，或上述任意一种与磷酸二氢铝的组合，磷酸二氢铝的添加量为粘合剂总重量的0.5～3.0％。

本发明所述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料所有技术方案中均优选所述催化组分为二氧化锰。

进一步地，本发明优选所述催化组分纳米级二氧化锰，优选其粒度为30～80nm。

本发明所述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料优选使用喷浆包衣的方法使壳材料浆料包裹于核材料颗粒外层。

上述涉及“喷浆包衣”的工艺可在现有技术公开的喷浆包衣设备中进行，其可商业购得。

优选地，所述复合材料按下述方法制备：将壳材料浆液盛至喷射枪的盛料罐中，调整喷枪的供液速度至200～300g/min；将核材料颗粒放入离心旋转包衣机中，60～90r/min低速，空转2～4min后，提高包衣机旋转速度至280～360r/min，调整进风量至994～1241rpm，对核材料颗粒进行喷浆包衣处理。

本发明所述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料优选所述复合材料的比表面积为280～360m²/g，堆密度为0.36～0.48g/mL。

本发明的另一目的是提供上述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料优选所述复合材料的制备方法。

一种用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料的制备方法，包括下述工艺步骤：

①将活性炭颗粒置于1mol/L的硝酸溶液中，50℃恒温搅拌浸渍12h；用水洗涤至洗涤液pH为6.5～7.5，然后在85～105℃恒温干燥24h，其中，活性炭颗粒与硝酸溶液的比为1g：2～8mL；

②将步骤①所得改性的活性炭颗粒、粘结助剂、催化组分、造孔剂混合均匀后，加水捏合充分、挤出成型，室温避光干燥、通风条件下放置至少48h，得核材料颗粒；

③将催化组分、粘合剂、水按比例加入搅拌罐中，搅拌30min，搅拌速度为1800～3200r/min，过胶体磨2次，得壳材料浆液，其中，催化组分、粘结剂和水的重量比为4～6：5～9：70～105；

④将步骤③所得壳材料浆液盛至喷射枪的盛料罐中，调整喷枪的供液速度至200～300g/min；将步骤②所得核材料颗粒放入离心旋转包衣机中，60～90r/min低速，空转2～4min后，提高包衣机旋转速度至280～360r/min，调整进风量至994～1241rpm，对核材料颗粒进行喷浆包衣处理。

上述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料的制备方法还包括步骤⑤，将步骤④所得复合材料颗粒室温避光放置12h，在65～105℃下烘干，即得用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料。

本发明的有益效果是：

1、本发明所述的用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料可以改变材料的外观形式制作成空气净化器的匹配的滤芯材料形式。成型工艺简单，容易操作。

2、本发明所述的用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料，将纳米级活性组分二氧化锰与改性活性炭颗粒以物理混合的方式结合在一起，增强颗粒本身的强度，同时也丰富颗粒内部的孔隙结构，使气体污染物-甲醛，更容易进入颗粒内部，与活性组分粒子结合并迅速转化成二氧化碳和水，不会造成二次污染。改性后的活性炭组分内部孔道更为丰富，表面的极性官能团增大，易与粘合剂结合，形成牢固的立体空间网状骨架，活性组分粒子可以均匀的附着在骨架结构上，提升了气体污染物分子与活性组分碰撞的概率。对极性及非极性的TVOCs气体污染物分子有着明显的上升趋势。通过物理复合后的净化材料，不同功能组分对甲醛及TVOCs的净化能力彼此不会受到限制。复合材料中多种活性组分的协同作用，大幅度提升了其对甲醛及TVOCs的净化能力。

3、本发明所述的用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料，对甲醛的净化容量能够达到6.05mg/g，对甲苯的净化容量高达299.41mg/g。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例所用喷浆包衣设备为常州市佳腾干燥制粒设备有限公司BG-40。

下述实施例中所述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料对甲醛的净化性能评价在Φ3mm、长280mm直型石英反应管反应器中进行，复合材料测试质量为50mg，甲醛动态检测系统的发生浓度为2.80ppm，载气为空气。检测试验在室内22℃，相对湿度53％RH，常压环境条件下进行，反应气体体积流量为500mL/min，由英国PPM公司htv-m记录仪检测出甲醛浓度并计算得到甲醛净化容量。

本发明所述用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料对甲苯的净化性能评价在Φ3mm、长280mm直型石英反应管反应器中进行，复合材料测试质量为50mg，甲苯动态检测系统的发生浓度为50ppm，载气为空气。检测试验在室内23℃，相对湿度48％RH，常压环境条件下进行，反应气体体积流量为810mL/min，由美国华瑞公司ppbRAE记录仪检测出甲苯浓度并计算得到甲苯净化容量。

下述实施例中所用纳米级二氧化锰的粒度为30～80nm。

实施例1

1、活性炭预处理：配置300mL硝酸溶液(1mol/L)，准确称量100g活性炭颗粒(150目)放入硝酸溶液中，50℃恒温搅拌浸渍12h；再用去离子水充分洗涤直至洗涤液pH为6.5，然后在85℃恒温干燥24h。活性炭颗粒与硝酸溶液的比为1g:3mL。

2、核材料的制备：预先将造孔剂碳酸氢钠溶于水中，制备成浓度为0.6％的水溶液；将步骤(1)改性处理后的活性炭颗粒、粘结助剂(200目凹土棒黏土)、催化组分(纳米级二氧化锰)，粉末原料混合均匀，按需加入预先准备好的碳酸氢钠水溶液捏合充分、挤出成型，得到直径2mm，颗粒长度2～4mm的圆柱状颗粒。室温、避光、干燥、通风条件下放置48h，备用。催化组分、粘结助剂、改性处理后的活性炭颗粒、造孔剂(纯的碳酸氢钠)：水的质量比为20：16：5：0.3：60。

3、壳材料浆液的制备：将催化组分(纳米级二氧化锰)、粘合剂﹝m(200目凹土棒黏土)：m(磷酸二氢铝)＝1:0.5﹞、水按比例加入搅拌罐中，高速搅拌30min，过胶体磨2次。搅拌速度控制在1800r/min，其中，m(催化组分)：m(粘结剂)：m(水)＝4：5：70。

4、喷浆包衣：然后将步骤(3)所得的壳材料浆液盛至喷射枪的盛料罐中，调整喷枪的供液速度至200g/min。将步骤(2)所得的圆柱状核材料颗粒放入离心旋转包衣机中，60r/min低速，空转2min后，提高包衣机旋转速度至280r/min，调整进风量至994rpm，对圆柱状核材料颗粒进行喷浆包衣处理2min。

5、复合材料后处理：将步骤(4)所得的复合材料颗粒室温避光放置12h，在65℃条件下烘干，即得到用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料。

复合材料甲醛的净化容量为3.76mg/g，甲苯的吸附容量为248.65mg/g。

实施例2

1、活性炭预处理：配置300mL硝酸溶液(1mol/L)，准确称量100g活性炭颗粒(200目)放入硝酸溶液中，50℃恒温搅拌浸渍12h；再用去离子水充分洗涤直至洗涤液pH为7.5，然后在85℃恒温干燥24h。活性炭颗粒与硝酸溶液的比为1g:3mL。

2、核材料的制备：预先将造孔剂碳酸氢钠溶于水中，制备成浓度为0.6％的水溶液；将步骤(1)改性处理后的活性炭颗粒、粘结助剂(200目高岭土)、催化组分(纳米级二氧化锰)，粉末原料混合均匀，按需加入预先准备好的碳酸氢钠水溶液捏合充分、挤出成型，得到直径2mm，颗粒长度2～4mm的圆柱状颗粒。室温、避光、干燥、通风条件下放置48h，备用。催化组分、粘结助剂、改性处理后的活性炭颗粒、造孔剂(纯的碳酸氢钠)：水的质量比为25：20：7：0.6：75。

3、壳材料浆液的制备：将催化组分(纳米级二氧化锰)、粘合剂﹝m(200目高岭土)：m(磷酸二氢铝)＝1:0.5﹞、水按比例加入搅拌罐中，高速搅拌30min，过胶体磨2次。搅拌速度控制在2600r/min。m(催化组分)：m(粘结剂)：m(水)＝5：7：95。

4、然后将步骤(3)所得的壳材料浆液盛至喷射枪的盛料罐中，调整喷枪的供液速度至200g/min。将步骤(2)所得的圆柱状核材料颗粒放入离心旋转包衣机中，60r/min低速，空转3min后，提高包衣机旋转速度至320r/min，调整进风量至1100rpm，对圆柱状核材料颗粒进行喷浆包衣处理4min。

5、复合材料后处理：将步骤(4)所得的复合材料颗粒室温避光放置，在85℃条件下烘干，即得到用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料。

复合材料甲醛的净化容量为4.65mg/g，甲苯的吸附容量为252.65mg/g。

实施例3

1、活性炭预处理：配置300mL硝酸溶液(1mol/L)，准确称量100g活性炭颗粒﹝m(150目)：m(200目)＝4：1﹞放入硝酸溶液中，50℃恒温搅拌浸渍12h；再用去离子水充分洗涤直至洗涤液pH为7.0，然后在85℃恒温干燥24h。活性炭颗粒与硝酸溶液的比为1g:5mL。

2、核材料的制备：预先将造孔剂碳酸氢钠溶于水中，制备成浓度为0.6％的水溶液；将步骤(1)改性处理后的活性炭颗粒、粘结助剂(200目凹土棒黏土)、催化组分(纳米级二氧化锰)，粉末原料混合均匀，按需加入预先准备好的碳酸氢钠水溶液捏合充分、挤出成型，得到直径2mm，颗粒长度2～4mm的圆柱状颗粒。室温、避光、干燥、通风条件下放置48h，备用。催化组分、粘结助剂、改性处理后的活性炭颗粒、造孔剂(纯的碳酸氢钠)：水的质量比为30：24：9：1.0：90。

3、壳材料浆液的制备：将催化组分(纳米级二氧化锰)、粘合剂﹝m(200目凹土棒黏土)：m(磷酸二氢铝)＝1:0.5﹞、水按比例加入搅拌罐中，高速搅拌30min，过胶体磨2次。搅拌速度控制在3000r/min。m(催化组分)：m(粘结剂)：m(水)＝6：9：105。

4、然后将步骤(3)所得的壳材料浆液盛至喷射枪的盛料罐中，调整喷枪的供液速度至200g/min。将步骤(2)中圆柱状芯料颗粒放入离心旋转包衣机中，60r/min低速，空转4min后，提高包衣机旋转速度至360r/min，调整进风量至1241rpm，对核材料进行喷浆包衣处理2min。

5、将步骤(4)所得的复合材料颗粒室温避光放置，在105℃条件下烘干，即得到用于净化甲醛及TVOCs的多孔复合材料。

复合材料甲醛的净化容量为6.05mg/g，甲苯的吸附容量为299.41mg/g。