光觸媒纖維制備裝置及其制備方法
【專利摘要】光觸媒纖維制備裝置及其制備方法，涉及光觸媒纖維。裝置設(shè)有污染氣體源、稀釋氣體源、不銹鋼氣體混合槽，污染氣體源出口接不銹鋼氣體混合槽，稀釋氣體源出口接不銹鋼氣體混合槽，不銹鋼氣體混合槽出口經(jīng)三通閥分別與旁通和第1三向閥的進(jìn)口連接，第1三向閥兩個出口分別接恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器和第2三向閥，恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器出口通過第2三向閥接氣相層析儀/火焰離子偵測器，氣相層析儀/火焰離子偵測器出口接自動采樣器。制備方法：將聚乙烯醇與水混合溶解得高分子溶液；將分散劑、含鈦材料和水混合溶解得含鈦溶液；將高分子溶液與含鈦溶液混合，加熱后得組合物，再置入設(shè)于自動進(jìn)樣裝置的注射器中，組合物經(jīng)靜電紡絲裝置噴出，收集即得。
【專利說明】
光觸媒纖維制備裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光觸媒纖維，尤其是涉及一種利用靜電紡絲技術(shù)的光觸媒纖維制備裝置及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其制造過程中所使用的有機(jī)溶劑的數(shù)量大幅增加，加之室內(nèi)裝修使用的各種化學(xué)物質(zhì)，造成空氣污染物揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，以下簡稱VOCs)成為最大的空氣污染源，嚴(yán)重威脅人們的健康。
[0003]目前處理VOCs的方法主要有冷凝法、吸附法、吸收法、焚化法以及生物處理技術(shù)等，其中，冷凝法為將廢氣降溫至VOCs成份的露點(diǎn)溫度(dew point)以下，使之凝結(jié)為液態(tài)后加以回收的方法，適用于高濃度、成份單純且具回收價值的VOCs廢氣處理;吸附法主要利用高孔隙率、高比表面積的吸附劑，藉由物理性吸附(可逆反應(yīng))或化學(xué)性鍵結(jié)(不可逆反應(yīng))作用，將VOCs氣體分子自廢氣中分離，以達(dá)成凈化廢氣的目的，操作上須進(jìn)行脫附再生或吸附劑的更換工作;吸收法是利用污染物在水中的溶解度特性，將VOCs自廢氣中分離去除的技術(shù)，由于常見的VOCs成份除少數(shù)醛類、酮類、胺類或醇類的溶解度較高外，其余物質(zhì)的水溶性不高，故如欲采用本技術(shù)，通常須添加氧化劑，造成廢氣處理成本增加;焚化法系利用氧化過程將VOCs廢氣轉(zhuǎn)換成無害的0)2與出0，其有焚化設(shè)備及燃料成本高之問題;而藉由微生物分解、氧化、轉(zhuǎn)化等機(jī)制，雖可將污染物完全分解氧化成C02、H20、N03—、S042—等無害物質(zhì)，且所需操作費(fèi)用最低，只因微生物分解速率有限，采用該技術(shù)通常須較大的土地面積，因此，應(yīng)用推廣比較困難。
[0004]綜上所述，大部分現(xiàn)行VOCs處理技術(shù)普遍存在效率低、費(fèi)用高、耗能等問題，因此，目前另有研究提出利用二氧化鈦經(jīng)光催化法對VOCs進(jìn)行降解可獲得良好的處理效果，且具有無毒、低成本等優(yōu)勢，然而傳統(tǒng)二氧化鈦(T12)系粉末狀，為增強(qiáng)VOCs與二氧化鈦光觸媒反應(yīng)時的接觸面積，目前主是藉由水熱法將粉末狀二氧化鈦改質(zhì)為鈦納米管(t i t a n i u mnanotube，TNT)，以應(yīng)用于光觸媒的制備。
[0005]值得注意的是，靜電紡絲是一種可制備出超纖細(xì)形態(tài)纖維，使制得纖維具有表面積大、孔徑小及高孔隙率等優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)，由靜電紡絲技術(shù)制得的纖維直徑大多在數(shù)十至數(shù)百納米間。
[0006]中國專利CN105019051A公開一種功能化光觸媒纖維的制備方法，該方法工藝是:
1.制備功能化納米Ti02粉末;將5.0g三氯化鐵和3.0g氧化石墨烯加入到1000ml納米Ti02水溶膠中，室溫攪拌2h，然后冷卻、過濾和焙烘后即得;2.制備功能化PET母粒;將質(zhì)量分?jǐn)?shù)15-45 %的所述粉末、1.0-2.0 %相對分子量2000的聚乙烯分散劑和53-84%的PET切片高速混合機(jī)中混均，然后在180-240°C下熔融擠出，經(jīng)水冷、切粒和真空干燥后即得;3.紡制功能化光觸媒纖維;將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20-50%的所述母粒和80-50%的PET切片真空干燥lh，再經(jīng)280 °C的皮芯復(fù)合熔融紡絲和3-3.5倍拉伸后即得。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種利用靜電紡絲技術(shù)的光觸媒纖維制備裝置及其制備方法。
[0008]所述光觸媒纖維制備裝置設(shè)有污染氣體源、稀釋氣體源、不銹鋼氣體混合槽，所述污染氣體源的出口接不銹鋼氣體混合槽，稀釋氣體源的出口接不銹鋼氣體混合槽，不銹鋼氣體混合槽的出口經(jīng)三通閥分別與旁通和第I三向閥的進(jìn)口連接，第I三向閥的兩個出口分別接恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器和第2三向閥，恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器的出口通過第2三向閥接氣相層析儀/火焰離子偵測器，氣相層析儀/火焰離子偵測器的出口接自動采樣器。
[0009]污染氣體源與不銹鋼氣體混合槽、稀釋氣體源與不銹鋼氣體混合槽、第I三向閥與三通閥之間均可設(shè)有質(zhì)量流量控制器。
[0010]所述恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有石英管。
[0011 ]光觸媒纖維的制備方法，包括以下步驟:
[0012]I)將聚乙烯醇(PVA)與去離子水混合溶解，制得高分子溶液；
[0013]2)將分散劑、含鈦材料和去離子水混合溶解，制得含鈦溶液；
[0014]3)將步驟I)制得的高分子溶液與步驟2)制得的含鈦溶液混合，加熱后，得組合物；
[0015]4)將步驟3)得到的組合物置入設(shè)于自動進(jìn)樣裝置的注射器中，組合物經(jīng)靜電紡絲裝置噴出，收集后即得光觸媒纖維。
[0016]在步驟I)中，所述高分子溶液的質(zhì)量百分濃度可為10%。
[0017]在步驟2)中，所述分散劑、含鈦材料、去離子水的配比可為(0.1?0.2)g: (I?2)g:30mL，其中分散劑、含鈦材料以質(zhì)量計算，去離子水以體積計算;所述分散劑可采用二辛基磺酸鈉;所述含鈦材料可選自二氧化鈦或鈦納米管等;所述鈦納米管可采用以下方法制備:
[0018]將5g的市售二氧化鈦與1M氫氧化鈉溶液在聚四氟乙稀內(nèi)襯瓶中均勻混合，再置入高溫高壓反應(yīng)器中，在130°C下水熱反應(yīng)72h后，取出聚四氟乙烯內(nèi)襯瓶下層之一膠狀固體，將該膠狀固體以0.1N酸洗液與去離子水清洗至pH值小于等于1.6，將清洗后的膠狀固體置入100°C的烘箱中烘干，再經(jīng)煅燒Ih后制得鈦納米管。
[0019]在步驟3)中，所述加熱的溫度可為80?90°C，加熱的時間可為2?3h。
[0020]在步驟4)中，所述靜電紡絲裝置的工作條件可為:進(jìn)樣速度0.5?1.0mL/h，電壓12?24kV，收集距離1?25cm。
[0021]本發(fā)明將二氧化鈦或鈦納米管與靜電紡絲技術(shù)結(jié)合制備出具含鈦光觸媒材料的纖維，通過纖維結(jié)構(gòu)增加光觸媒的表面積及孔隙率，達(dá)到增加光觸媒與污染物的接觸面積，并提升光觸媒處理能力，達(dá)到降解VOCs的目的。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明所述光觸媒纖維制備裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明T12光觸媒、TNT光觸媒、T12光觸媒纖維及TNT光觸媒纖維的紫外-可見光光譜儀吸收圖。
[0024]圖3是本發(fā)明TNT光觸媒纖維的外觀圖。
[0025]圖4是本發(fā)明TNT光觸媒纖維的掃描式電子顯微鏡圖。
[0026]圖5是傅立葉紅外線光譜儀圖；在圖5中，曲線a為T12光觸媒、曲線b為TNT光觸媒、曲線c為T12光觸媒、曲線d為TNT光觸媒、曲線e為PVA。
[0027]圖6是本發(fā)明T12光觸媒、TNT光觸媒、T12光觸媒纖維及TNT光觸媒纖維的熱重分析儀圖；在圖6中，曲線a為T12光觸媒、曲線b為TNT光觸媒、曲線c為T12光觸媒、曲線d為TNT光觸媒。
[0028]圖7是本發(fā)明TNT光觸媒纖維于不同濃度下對丙酮的降解效率圖。
[0029]圖8是本發(fā)明TNT光觸媒纖維于不同停留時間下對丙酮的降解效率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0031]參見圖1，所述光觸媒纖維制備裝置實(shí)施例設(shè)有污染氣體源1、稀釋氣體源2、不銹鋼氣體混合槽4，所述污染氣體源I的出口接不銹鋼氣體混合槽4，稀釋氣體源2的出口接不銹鋼氣體混合槽4，不銹鋼氣體混合槽4的出口經(jīng)三通閥5分別與旁通6和第I三向閥71的進(jìn)口連接，第I三向閥71的兩個出口分別接恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器8和第2三向閥72，恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器8的出口通過第2三向閥72接氣相層析儀/火焰離子偵測器9，氣相層析儀/火焰離子偵測器9的出口接自動采樣器10。
[0032]污染氣體源I與不銹鋼氣體混合槽4、稀釋氣體源2與不銹鋼氣體混合槽4、第I三向閥71與三通閥5之間均可設(shè)有質(zhì)量流量控制器3。
[0033]所述恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器8內(nèi)設(shè)有石英管。
[0034]光觸媒纖維的制備方法，包括以下步驟:
[0035]I)將聚乙烯醇(PVA)與去離子水混合溶解，制得質(zhì)量百分濃度為10%高分子溶液；
[0036]2)將分散劑、含鈦材料和去離子水混合溶解，制得含鈦溶液;所述分散劑、含鈦材料、去離子水的配比可為(0.1?0.2)g:(l?2)g: 30mL，其中分散劑、含鈦材料以質(zhì)量計算，去離子水以體積計算;所述分散劑可采用二辛基磺酸鈉;所述含鈦材料可選自二氧化鈦或鈦納米管等;所述鈦納米管可采用以下方法制備:將5g的市售二氧化鈦與1M氫氧化鈉溶液在聚四氟乙烯內(nèi)襯瓶中均勻混合，再置入高溫高壓反應(yīng)器中，在130°C下水熱反應(yīng)72h后，取出聚四氟乙烯內(nèi)襯瓶下層之一膠狀固體，將該膠狀固體以0.1N酸洗液與去離子水清洗至pH值小于等于1.6，將清洗后的膠狀固體置入100°C的烘箱中烘干，再經(jīng)煅燒Ih后制得鈦納米管。
[0037]3)將步驟I)制得的高分子溶液與步驟2)制得的含鈦溶液混合，加熱后，得組合物；所述加熱的溫度可為80?90 0C，加熱的時間可為2?3h。
[0038]4)將步驟3)得到的組合物置入設(shè)于自動進(jìn)樣裝置的注射器中，組合物經(jīng)靜電紡絲裝置噴出，收集后即得光觸媒纖維。所述靜電紡絲裝置的工作條件為:進(jìn)樣速度0.5?1.0mL/h，電壓12?24kV，收集距離10?25cm。
[0039]本發(fā)明利用靜電紡絲技術(shù)制備含鈦光觸媒纖維包括二氧化鈦光觸媒纖維及鈦納米管光觸媒纖維，以下分別簡稱為T12光觸媒纖維(TPF)及TNT光觸媒纖維(TNPF)。
[0040]經(jīng)由質(zhì)量流量控制器控制空氣及含丙酮?dú)怏w的流量。之后將載流氣體引入不銹鋼氣體混合槽，使VOCs混合均勻后，依參數(shù)調(diào)整VOCs濃度。將先前制備好的纖維狀光觸媒置于反應(yīng)器中，本發(fā)明使用的反應(yīng)器為含有水夾層的反應(yīng)器，可避免因?qū)嶒?yàn)中使用燈源所產(chǎn)生的高溫，反應(yīng)器中央則放入欲激發(fā)光源。采樣系統(tǒng)部分本實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)式自動采樣馬達(dá)自動將光催化反應(yīng)前后的氣體取樣，并使用氣相層析儀/火焰離子偵測器分析污染物濃度，其中層析管柱為毛細(xì)管管柱(Supelco Inc.,Model SPB-1，60mX0.53mmX5.Ομπι)，用以探討VOCs之去除率。
[0041 ] 圖2顯示，利用UV-vis鑒定含T12、TNT、TPF及TNPF各種材料的吸收光譜，為了解不同觸媒形成型態(tài)于各種入射波長下的吸收情形，本發(fā)明利用反射式UV-Visible吸收光譜對光觸媒納米纖維進(jìn)行分析。經(jīng)由靜電紡絲制備出各種纖維的吸收光譜，可以觀察到材料在紫外光的范圍吸收度有明顯下降趨勢，是因?yàn)樵陟o電紡絲溶液配制時所加入PVA所造成的。
[0042]圖3、4顯示，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察由靜電紡絲制備各種材料之外觀。SEM是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。它能產(chǎn)生樣品表面的高分辨率圖像，掃描電子顯微鏡能被用來鑒定樣品的表面結(jié)構(gòu)。圖中可觀察到利用靜電紡絲成功制成絲狀纖維，其纖維直徑大約在50?10nm之間。也可以看出纖維是以不規(guī)則形狀分布而成的，可使纖維具較多接觸面積以有效處理VOCs，以利達(dá)到更好的處理效果。
[0043]圖5顯示，本發(fā)明利用傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)鑒定含Ti02、TNT、TPF及TNPF各種材料的分析。結(jié)果顯示僅在低波段650cm—1以下有一個明顯的T1-O振動峰。而經(jīng)過靜電紡絲技術(shù)制備之纖維在3280cm—\2908cm—1及1090cm—1處分別為0-H、C-H及C-O鍵的振動峰，其主要為有機(jī)物PVA所造成的振動峰。
[0044]圖6顯示，本發(fā)明T12光觸媒、TNT光觸媒、T12光觸媒纖維及TNT光觸媒纖維的熱重分析儀圖譜。將樣品置于特定環(huán)境溫度下，觀察樣品的重量變化情形，進(jìn)而推斷樣品的特性。而纖維從220°C開始加熱至600°C以上PVA完全裂解。與文獻(xiàn)對照可得知220?350°C為PVA側(cè)鏈之分解，而350?580 °C為PVA主鏈之裂解，與PVA之熱重分析曲線對照，PVA裂解溫度為220?58(TC(Gimenez et al.，1996;Kim,2010)。
[0045]圖7顯示，使用TPF進(jìn)行VOCs處理可以得知，降解效率隨著停留時間增加而增加。隨著停留時間增長，因此與纖維接觸面積的機(jī)會也會相對增加。實(shí)驗(yàn)使用燈源為UV-365nm，丙酮濃度1500ppm時，停留時間從1 s增至100 s，降解效率由50 %提升至99 % ；當(dāng)濃度小于500ppm，較不受停留時間影響，降解效率皆可達(dá)到99%以上。
[0046]圖8顯示，使用TNPF降解效率亦隨著丙酮濃度增加而降低，當(dāng)停留時間為40s以內(nèi)，使用UV-365nm燈源，丙酮的降解效率達(dá)70%以上。另停留時間長達(dá)10s時，丙酮降解效率相對提升，于低濃度環(huán)境下，皆有較高降解效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.光觸媒纖維制備裝置，其特征在于設(shè)有污染氣體源、稀釋氣體源、不銹鋼氣體混合槽，所述污染氣體源的出口接不銹鋼氣體混合槽，稀釋氣體源的出口接不銹鋼氣體混合槽，不銹鋼氣體混合槽的出口經(jīng)三通閥分別與旁通和第I三向閥的進(jìn)口連接，第I三向閥的兩個出口分別接恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器和第2三向閥，恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器的出口通過第2三向閥接氣相層析儀/火焰離子偵測器，氣相層析儀/火焰離子偵測器的出口接自動采樣器。2.如權(quán)利要求1所述光觸媒纖維制備裝置，其特征在于所述污染氣體源與不銹鋼氣體混合槽、稀釋氣體源與不銹鋼氣體混合槽、第I三向閥與三通閥之間均設(shè)有質(zhì)量流量控制器。3.如權(quán)利要求1所述光觸媒纖維制備裝置，其特征在于所述恒溫環(huán)狀光觸媒反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有石英管。4.光觸媒纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將聚乙烯醇與去離子水混合溶解，制得高分子溶液； 2)將分散劑、含鈦材料和去離子水混合溶解，制得含鈦溶液； 3)將步驟I)制得的高分子溶液與步驟2)制得的含鈦溶液混合，加熱后，得組合物； 4)將步驟3)得到的組合物置入設(shè)于自動進(jìn)樣裝置的注射器中，組合物經(jīng)靜電紡絲裝置噴出，收集后即得光觸媒纖維。5.如權(quán)利要求4所述光觸媒纖維的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述高分子溶液的質(zhì)量百分濃度為10%。6.如權(quán)利要求4所述光觸媒纖維的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述分散劑、含鈦材料、去離子水的配比為(0.1?0.2)g:(l?2)g: 30mL，其中分散劑、含鈦材料以質(zhì)量計算，去離子水以體積計算。7.如權(quán)利要求4所述光觸媒纖維的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述分散劑采用二辛基磺酸鈉;所述含鈦材料可選自二氧化鈦或鈦納米管。8.如權(quán)利要求7所述光觸媒纖維的制備方法，其特征在于所述鈦納米管采用以下方法制備: 將5g的市售二氧化鈦與1M氫氧化鈉溶液在聚四氟乙烯內(nèi)襯瓶中均勻混合，再置入高溫高壓反應(yīng)器中，在130°C下水熱反應(yīng)72h后，取出聚四氟乙烯內(nèi)襯瓶下層之一膠狀固體，將該膠狀固體以0.1N酸洗液與去離子水清洗至pH值小于等于1.6，將清洗后的膠狀固體置入100°C的烘箱中烘干，再經(jīng)煅燒Ih后制得鈦納米管。9.如權(quán)利要求4所述光觸媒纖維的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述加熱的溫度為80?90°C，加熱的時間為2?3h。10.如權(quán)利要求4所述光觸媒纖維的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述靜電紡絲裝置的工作條件為:進(jìn)樣速度0.5?1.0mL/h，電壓12?24kV，收集距離10?25cm。
【文檔編號】D01D5/00GK106012051SQ201610609600
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】鐘喜生, 張章堂, 劉芳, 鐘紅生
【申請人】愛芯環(huán)?？萍迹◤B門）股份有限公司