活性碳基空气净化材料及其制备方法
阅读说明：本技术 活性碳基空气净化材料及其制备方法 (Active carbon-based air purification material and preparation method thereof ) 是由 康望才 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种活性碳基空气净化材料及其制备方法,涉及空气净化技术领域,通过将木质素、氧化石墨烯、纳米材料进行混合,控制真空度,使木质素与氧化石墨烯均匀黏连键合,形成网状结构,从而均匀嵌合包裹,经高温煅烧后得到高比表面积的木质素基活性炭负载纳米材料的复合材料,然后与有机高分子聚合物、抗菌剂进行融合挤出纺丝,制成所述高效空气净化材料。本发明所制得的活性碳基空气净化材料同时具有具有抗菌、除甲醛、除空气中微细颗粒物、吸附有害有机溶剂气体等多种功能,比表面积高,透气性好,过滤效率高,同时具有优良的二次成型加工能力,进一步扩大本发明的应用范围。(The invention provides an active carbon-based air purification material and a preparation method thereof, and relates to the technical field of air purification. The active carbon-based air purification material prepared by the invention has multiple functions of resisting bacteria, removing formaldehyde, removing fine particles in air, adsorbing harmful organic solvent gas and the like, has high specific surface area, good air permeability and high filtration efficiency, simultaneously has excellent secondary forming processing capacity, and further expands the application range of the invention.)
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及一种活性碳基空气净化材料及其制备方法。
背景技术
在我国北方，由于空气污染，空气中悬浮着许多微小的颗粒物，颗粒物的粒径大多处在微米级和纳米级，这些颗粒物除了对能见度、辐射强迫和气候变化方面对我们的我们生活环境产生有害影响外，还会对人体健康造成一定影响，如呼吸和心血管疾病。特别是粒径为0.1μm(PM0.1)以下的污染物颗粒，具有较高的反应活性和易对人体健康带来潜在的危害。同时由于工厂使用各类化学品，导致环境中存在如苯及同系物、多环芳烃、苯并[a]芘、致病菌等对人体有害的物质，该类有害物质一般不单独以悬浮或气体形态存在，通常是吸附在PM10、PM7、PM5、PM2.5、PM1等的普通粉尘或烟尘上，使之变成有毒有害颗粒物。这些颗粒物由于质量轻、在空中悬浮时间长，人体吸入机会多。当人体吸入这些有毒颗粒物，虽然不会立即引起急性中毒，但累计过多，会对人体的神经系统、呼吸系统、心血管系统、消化系统、泌尿系统、循环系统、生殖系统造成严重损伤。
甲醛是室内空气的主要污染物之一，低浓度的甲醛会引起中枢神经系统、体内酶活性的改变以及内分泌、免疫系统的改变，高浓度的甲醛会损害人体的神经系统、免疫系统及肝脏，同时刺激人体的眼结膜、呼吸道粘膜，使人产生流泪、流涕、引起结膜炎、咽喉炎、哮喘、支气管炎等病症，室内甲醛污染主要来源于装修所使用的胶合板、细木条、刨花板等人造板材，来于装饰用的贴墙纸、贴墙布和油漆等材料，以及用了不合格板材所做成的家具。
现有技术中已有活性炭口罩、KN95口罩、医护口罩等人体防护用品，但功能单一，不能同时去除空气中有毒颗粒物、甲醛、病菌等有毒有害物质。活性炭纤维是一种很好的吸附材料，对苯类、酮类、酯类、石油类的废气均能吸附回收，且吸附速度快，吸附量大，可广泛用于水净化、空气净化领域，但由于二次加工成型能力差，目前未得到广泛应用。因此有必要研究一种高效净化空气材料，同时去除空气中固体颗粒物、有毒有害气体、致病菌等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种活性碳基空气净化材料及其制备方法，以木质素、氧化石墨烯、纳米材料、聚酰亚胺为原料，通过控制真空度、高温煅烧、熔融挤出等步骤，制成所述活性碳基空气净化材料，以解决现有技术中种类繁多、功能单一、去除物质种类少等技术缺陷。
本发明通过以下技术方案进行实现：
一方面，本发明提供一种活性碳基空气净化材料，按照重量份计，其由如下原料制成：
纳米材料10-80重量份，氧化石墨烯1-10重量份，表面活性剂5-30重量份，去离子水500-2000重量份，抗菌剂10-50重量份，木质素10-100重量份，碱性化合物200-1000重量份，有机高分子胶粉500-2000份。
进一步地，所述活性碳基空气净化材料，按照重量份计，其由如下原料制成：
纳米材料10-50重量份，氧化石墨烯1-8重量份，表面活性剂10-30重量份，去离子水500-1800重量份，抗菌剂10-30重量份，木质素30-80重量份，碱性化合物200-600重量份，有机高分子胶粉500-1500份。
进一步地，所述纳米材料可以是纳米氧化锌、纳米银、纳米二氧化钛、纳米矿晶、纳米活性炭、纳米锌、纳米氧化铜中至少一种的组合，具体地，所述纳米材料可以是纳米氧化锌、纳米银、纳米二氧化钛、纳米矿晶、纳米活性炭中至少一种的组合，优选地，所述纳米材料可以是纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米矿晶、纳米活性炭中至少一种的组合。
进一步地，所述表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、碳氟表面活性剂、聚氧乙烯醚、吐温、季戊四醇脂肪酸酯中至少一种的组合，具体地，所述表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、碳氟表面活性剂、吐温中至少一种的组合，优选地，所述表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、碳氟表面活性剂中至少一种的组合。
进一步地，所述抗菌剂是纳米银、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、甲壳素、壳聚糖、香草醛中至少一种的组合，具体地，所述抗菌剂是纳米氧化锌、纳米二氧化钛、甲壳素、壳聚糖中至少一种的组合，优选地，所述抗菌剂是纳米氧化锌、纳米二氧化钛、壳聚糖中至少一种的组合。
进一步地，所述有机高分子胶粉是聚酰亚胺胶粉、EVA胶粉、PET胶粉、PP胶粉、PBT胶粉、涤纶胶粉、晴纶胶粉中至少一种的组合，具体地，所述有机高分子胶粉是聚酰亚胺胶粉、EVA胶粉、PET胶粉、PBT胶粉、涤纶胶粉中至少一种的组合，优选地，所述有机高分子胶粉分别是聚酰亚胺胶粉、EVA胶粉、PET胶粉。
进一步地，所述碱性化合物是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠、碳酸钙、磷酸钠、磷酸钾中的至少一种的组合，具体地，所述碱性化合物是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠、磷酸钠中的至少一种的组合，优选地，所述碱性化合物是碳酸钾。
一方面，本发明提供一种活性碳基空气净化材料的制备方法，包括如下步骤：
1)按照重量份配比，称取纳米材料，氧化石墨烯，表面活性剂，加入去离子水，混合均匀，调整真空度和温度，搅拌使反应充分，得到混合溶液A；
2)按照重量份配比，称取木质素，碱性化合物，加入去离子水300重量份，恒温搅拌溶解，得到混合溶液B；
3)将步骤1)制得的混合溶液A和步骤2)中制得的混合溶液B倒入反应釜，混合均匀，加热使反应完全；
4)冷去后过滤，干燥所得固体滤渣，在惰性气氛保护下，进行煅烧，冷却后粉碎、过筛；
5)加入有机高分子胶粉，抗菌剂，混合均匀，熔融后通过螺杆挤出机进行纺丝，制得活性碳基空气净化材料。
进一步地，步骤1)中所述真空度为0.05Pa-5Pa，温度为10-50℃，具体地，步骤1)中所述真空度为0.1Pa-3Pa，温度为10-30℃，优选地，步骤1)中所述真空度为0.1Pa、0.5Pa、0.8Pa，温度为10℃、20℃、25℃。
进一步地，步骤1)中所述搅拌速度为200rpm-1500rpm，搅拌时间为30-120分钟，具体地，步骤1)中所述搅拌速度为500rpm-1000rpm，搅拌时间为30-90分钟，优选地，步骤1)中所述搅拌速度为500rpm、800rpm、1000rpm，搅拌时间为30分钟、60分钟、90分钟。
进一步地，步骤2)中所述反应温度为50-100℃，搅拌时间为10-60分钟，具体地，步骤2)中所述反应温度为60-90℃，搅拌时间为30-60分钟，优选地，步骤2)中所述反应温度为60℃、75℃、85℃，搅拌时间为30分钟、40分钟、60分钟。
进一步地，步骤3)中所述加热温度是100-500℃，反应时间是1-6小时，具体地，步骤3)中所述加热温度是100-300℃，反应时间是2-5小时，优选地，步骤3)中所述加热温度是200℃，反应时间是，4小时。
进一步地，步骤4)中所述干燥温度为40-80℃，干燥时间为10-50小时，具体地，步骤4)中所述干燥温度为45-75℃，干燥时间为12-36小时，优选地，步骤4)中所述干燥温度为45℃、60℃、75℃，干燥时间为12小时、24小时、36小时。
进一步地，步骤4)中所述煅烧温度为500-1000℃，煅烧时间为1-5小时，具体地，步骤4)中所述煅烧温度为600-950℃，煅烧时间为2-4小时，优选地，步骤4)中所述煅烧温度为850℃、900℃、950℃，煅烧时间为3小时、3.5小时、4小时。
进一步地，步骤4)中所述粉碎过筛后颗粒物粒径为50-500目，具体地，步骤4)中所述粉碎过筛后颗粒物粒径为100-300目，优选地，步骤4)中所述粉碎过筛后颗粒物粒径为100目、200目、300目。
另一方面，本发明所制得的活性碳基空气净化材料可应用于制作空气过滤材料、废水过滤材料、个人防护用品、家居防护用品等。
相对于现有技术，本发明提供的技术方案具备有益效果如下：
1)利用氧化石墨烯具有较高的比表面积和表面丰富的官能团，与纳米材料、表面活性剂在高真空度下发生反应，确保所制得的活性碳基空气净化材料中各组分有机粘结，从而保证所制得活性碳基空气净化材料的高吸附率特性；
2)利用碱性化合物将木质素溶解进入溶液中，与氧化石墨烯、纳米材料混合均匀并发生反应，使木质素与氧化石墨烯、纳米材料进行键合连接，形成网状结构，使氧化石墨烯均匀分布，将纳米材料均匀嵌合包裹在其中，经高温煅烧后得到木质素基活性炭负载纳米材料的复合材料，利用木质素基活性炭的高比表面积特性，进一步提高所述活性碳基空气净化材料的比表面积，进而大幅提高本发明所述活性碳基空气净化材料的吸附能力；
3)通过将有机高分子胶粉与微细粒径颗粒物、抗菌剂进行混合，熔融后挤出纺丝，从而提高了本发明的二次成型加工能力，扩大了本发明所述活性碳基空气净化材料的应用范围；
4)本发明所制得的活性碳基空气净化材料具有抗菌、除甲醛、除空气中微细颗粒物、吸附有害有机溶剂气体等多种功能，比表面积高，透气性好，过滤效率高。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明内容，而不是对本发明保护范围的进一步限定。
实施例1
一种活性碳基空气净化材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取纳米氧化锌10重量份，氧化石墨烯2重量份，纳米活性炭30重量份，十六烷基三甲基溴化铵10重量份，去离子水100重量份，控制真空度0.1Pa，温度10℃，调整搅拌速度为500rpm，搅拌30分钟，得到混合溶液A；
2)称取木质素30重量份，碳酸钾200重量份，加入去离子水800重量份，调整温度在60℃，恒温，搅拌30分钟，得到混合溶液B；
3)将混合溶液A和混合溶液B混合，置于反应釜，加热至200℃，反应4小时；
4)冷去至室温，过滤后将固体滤渣在45℃下干燥24小时，在氮气保护下，调整温度为850℃，煅烧3.5小时后冷却至室温，粉碎过筛至100目的颗粒物；
5)加入聚酰亚胺胶粉500份，壳聚糖20重量份，混合均匀，在350℃下熔融，通过螺杆挤出机进行纺丝，制得活性碳基空气净化材料。
实施例2
一种活性碳基空气净化材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取纳米二氧化钛30重量份，氧化石墨烯5重量份，十二烷基硫酸钠15重量份，去离子水150重量份，控制真空度0.5Pa，温度20℃，调整搅拌速度为800rpm，搅拌60分钟，得到混合溶液A；
2)称取木质素60重量份，碳酸钾300重量份，加入去离子水1000重量份，调整温度在75℃，恒温，搅拌40分钟，得到混合溶液B；
3)将混合溶液A和混合溶液B混合，置于反应釜，加热至200℃，反应4小时；
4)冷去至室温，过滤后将固体滤渣在60℃下干燥36小时，在氮气保护下，调整温度为900℃，煅烧4.0小时后冷却至室温，粉碎过筛至200目的颗粒物；
5)加入EVA胶粉800份，壳聚糖20重量份，混合均匀，在300℃下熔融，通过螺杆挤出机进行纺丝，制得活性碳基空气净化材料。
实施例3
一种活性碳基空气净化材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取纳米矿晶20重量份，纳米氧化锌20重量份，氧化石墨烯8重量份，碳氟表面活性剂FS-310020重量份，去离子水200重量份，控制真空度0.8Pa，温度25℃，调整搅拌速度为1000rpm，搅拌90分钟，得到混合溶液A；
2)称取木质素80重量份，碳酸钾500重量份，加入去离子水1500重量份，调整温度在85℃，恒温，搅拌60分钟，得到混合溶液B；
3)将混合溶液A和混合溶液B混合，置于反应釜，加热至200℃，反应4小时；
4)冷去至室温，过滤后将固体滤渣在75℃下干燥12小时，在氮气保护下，调整温度为950℃，煅烧3.0小时后冷却至室温，粉碎过筛至300目的颗粒物；
5)加入PET胶粉1200份，壳聚糖20重量份，混合均匀，在320℃下熔融，通过螺杆挤出机进行纺丝，制得活性碳基空气净化材料。
对比例
按照CN110302755、CN112076735分别制得活性碳基空气净化材料，作为对比例1、对比例2。
实施例4
取实施例1-3和对比例1-2制备的活性碳基空气净化材料，将织造成滤膜，按照GB/T 18801检测其具备的净化能力，其结果如表1所示：
表1
由上表可知，本发明所制得的活性碳基空气净化材料的比表面积大于1800m2/g，苯吸附率大于90％，甲苯吸附率大于90％，碘吸附率大于150％，过滤效率大于99％，均优于对比例1和对比例2，符合GB/T 18801要求。
实施例5
取实施例1-3和对比例1-2制备的活性碳基空气净化材料，将其织造成滤膜，检测其甲醛去除能力、PM去除率、抑菌率、透气率，检测结果表2所示：
表2
由上表可知，本发明所制得的活性碳基空气净化材料的甲醛去除能力、病菌抑制能力、PM 2.5去除率以及透气率均优于对比例1、对比例2。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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