一種新型多功能空氣凈化材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有多孔炭對(duì)氣體污染物與重金屬吸附容量不大的實(shí)際問(wèn)題，提供一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法。該新型多胺基多孔炭復(fù)合材料以多孔炭、硝酸、三乙四胺等常見(jiàn)物質(zhì)為原料，通過(guò)羧基化與分子共縮聚反應(yīng)制得，具有孔道多、比表面積大、表面多胺基團(tuán)含量豐富，對(duì)空氣中氮氧化物、硫氧化物等酸性氣體以及重金屬鉛均有較強(qiáng)的吸附能力。該空氣凈化材料可同時(shí)去除多種酸性氣體和重金屬鉛，應(yīng)用范圍廣，功效強(qiáng)，并具有制備工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施等優(yōu)勢(shì)，可大批量規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種新型多功能空氣凈化材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于非金屬材料科學(xué)技術(shù)分支，應(yīng)用于氣體吸附與分離領(lǐng)域，具體涉及一種能同時(shí)高效去除空氣中微量氮氧化物、硫氧化物等酸性污染氣體以及重金屬鉛的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣環(huán)境污染是人類面臨的重要環(huán)境問(wèn)題，大氣質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)整個(gè)生態(tài)和人類健康有著直接影響。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)對(duì)大氣污染造成疾病負(fù)擔(dān)的評(píng)價(jià)，每年有超過(guò)200萬(wàn)的過(guò)早死亡歸因于城市室外和室內(nèi)空氣污染。我國(guó)大氣污染物主要有顆粒污染物、氮硫氧化物以及重金屬等。其中，以煤炭與石油燃燒釋放出的氮氧化物、硫氧化物以及汽車尾氣釋放的重金屬鉛對(duì)我國(guó)人群健康影響較大。
[0003]活性炭等碳質(zhì)多孔劑是空氣凈化中常用的吸附材料，但是普通活性炭以微孔為主，表面化學(xué)官能團(tuán)含量少，極性小，對(duì)空氣中氮氧化物、硫氧化物、重金屬離子等極性污染物吸附容量小，選擇性差。本發(fā)明通過(guò)以多孔炭與多胺分子為前驅(qū)體，通過(guò)硝酸氧化與縮水聚和等簡(jiǎn)單反應(yīng)，將多胺分子接枝到多孔炭材料孔道與表面，增強(qiáng)了多孔炭材料表面的堿性，利于酸性氣體的吸附，而且材料表面接枝的多胺基團(tuán)，可以通過(guò)絡(luò)合作用快速固定空氣中的鉛離子，從而制備出能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有多孔炭對(duì)氣體污染物與重金屬吸附容量不大的實(shí)際問(wèn)題，提供一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法。該新型多胺基多孔炭復(fù)合材料以多孔炭、硝酸、三乙四胺等常見(jiàn)物質(zhì)為原料，通過(guò)羧基化與分子共縮聚反應(yīng)制得，具有孔道多、t匕表面積大、表面多胺基團(tuán)含量豐富，對(duì)空氣中氮氧化物、硫氧化物等酸性氣體以及重金屬鉛均有較強(qiáng)的吸附能力。該空氣凈化材料可同時(shí)去除多種酸性氣體和重金屬鉛，應(yīng)用范圍廣，功效強(qiáng)，并具有制備工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施等優(yōu)勢(shì)，可大批量規(guī)?；a(chǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施達(dá)到:
[0006]一種利用多孔炭與多胺分子生產(chǎn)的新型多胺基炭質(zhì)空氣凈化材料及其制備方法，包括如下步驟:
[0007]I)將多孔炭用10%的鹽酸溶液在30?80°C攪拌2個(gè)小時(shí)以上，經(jīng)過(guò)純化后的多孔炭粉末加100?500ml的10?50%的硝酸攪拌I?10個(gè)小時(shí)，反應(yīng)完畢后將產(chǎn)物洗滌至中性，過(guò)濾烘干得富含羧酸基的多孔炭。
[0008]2)稱取5g上述羧基化生物質(zhì)炭，將其分散到50?200ml多胺分子改性劑中，待攪拌均勻后，加入N, N' - 二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)6?96小時(shí)。
[0009]3)將上述反應(yīng)產(chǎn)物先用乙醇粗洗，再用乙醚清洗，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)或真空烘干即得到新型多胺基炭質(zhì)空氣凈化材料。
[0010]上述步驟I)中，所述的多孔炭為介孔碳、生物質(zhì)炭、活性炭或石墨稀的一種，優(yōu)選中孔比例> 30%、中孔孔容> 0.3cm3/g的介孔生物質(zhì)炭材料；
[0011]上述步驟2)中，所述的多胺分子改性劑是指三乙四胺。
[0012]上述方案的核心是多胺分子的選擇、多孔炭介孔孔容的含量與羧基化以及縮水聚和反應(yīng)條件的選擇。硝酸氧化的目的是增加多孔炭材料羧酸基含量；較高的介孔孔容不僅能有效提高多孔炭羧酸基團(tuán)含量，并能為羧酸基和多胺改性分子縮水聚積反應(yīng)提供有效空間。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)良效果如下:
[0014]I)本發(fā)明以來(lái)源廣泛的生物質(zhì)炭、活性炭或介孔碳為原材，經(jīng)純化預(yù)處理、硝酸氧化以及縮水聚和等簡(jiǎn)單反應(yīng)，即可將多胺分子接枝到多孔炭上，合成工藝簡(jiǎn)單，投資小，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，易于實(shí)施，生產(chǎn)符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，可規(guī)?；笈可a(chǎn)。
[0015]2)本發(fā)明制備的胺化炭質(zhì)多孔空氣凈化材料，比表面積大、富含多胺基團(tuán)，對(duì)氣體中的硫氧化物、氮氧化物等酸性氣體與重金屬鉛均有較強(qiáng)的親和作用，可用于去除空氣中的低濃度酸性氣體和重金屬鉛，應(yīng)用范圍廣，有廣闊的應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
[0017]實(shí)例I
[0018]將5.0g介孔碳(BET比表面870m2/g，中孔孔容為0.313ml/g)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液在60°C攪拌純化5個(gè)小時(shí)，烘干后加600ml的32.5%的硝酸攪拌5個(gè)小時(shí)，隨后加10ml的三乙四胺，攪拌加熱均勻后，加入5克N，N' -二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)48小時(shí)。將產(chǎn)物洗滌干凈，烘干后得新型多功能空氣凈化材料。
[0019]新型多功能空氣凈化材料的紅外光譜圖如圖1所示。從圖1可以看出，制備的胺化改性生物質(zhì)炭含有更加明顯的氮基基團(tuán)，表明改性后三乙四胺被成功地引到了介孔炭樣品上；B0ehm滴定法對(duì)其表面基團(tuán)含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示其堿性基團(tuán)含量由修飾前的
0.035mmoI /g 增加到 2.69mmol/g。
[0020]上述材料在吸附測(cè)試中對(duì)二氧化硫、二氧化氮與重金屬鉛離子的表現(xiàn)了出色的吸附性能。在濕度為30%，煙氣流量為200L/h，二氧化硫與二氧化氮濃度分別為30ppm和15ppm時(shí)，上述材料對(duì)中SO2和NO2的平衡吸附容量分別為87mg/g和69mg/g。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，溶液pH為5時(shí)，上述材料對(duì)50mg/L的鉛(II)的平衡吸附量為156mg/g。
[0021]實(shí)例2:
[0022]將1g蔗渣基生物質(zhì)炭(BET比表面987m2/g，中孔孔容0.371cm3/g)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液在60°C下攪拌純化5個(gè)小時(shí)，而后加500ml的32.5%的硝酸攪拌5個(gè)小時(shí)，稱取上述硝酸氧化后的炭粉5g，加10ml三乙四胺，攪拌加熱均勻后，加入5克N，N' -二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)48小時(shí)。將產(chǎn)物洗滌干凈，烘干后得新型多功能空氣凈化材料。
[0023]上述材料在吸附測(cè)試中對(duì)二氧化硫、二氧化氮與重金屬鉛離子的表現(xiàn)了出色的吸附性能。在濕度為30%，煙氣流量為200L/h，二氧化硫與二氧化氮濃度分別為30ppm和15ppm時(shí)，上述材料對(duì)中SO2和NO2的平衡吸附容量分別為97mg/g和79mg/g。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，溶液pH為5時(shí)，上述材料對(duì)50mg/L的鉛(II)的平衡吸附量為133mg/g。
[0024]實(shí)例3:
[0025]將1g活性炭粉(BET比表面937m2/g，中孔孔容為0.26ml/g)末用10% HCl溶液在60°C攪拌5個(gè)小時(shí)，經(jīng)過(guò)純化的生物炭粉末再加300ml的32.5%的硝酸攪拌5個(gè)小時(shí)，洗至中性烘干。稱取上述粉末5g，加10ml的三乙四胺，攪拌加熱后，加入N，N' - 二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)36小時(shí)。將產(chǎn)物洗凈烘干，得新型多功能空氣凈化材料。
[0026]上述材料對(duì)二氧化氮、二氧化硫與重金屬鉛離子表現(xiàn)了良好的吸附性能。在濕度為35%，煙氣流量為200L/h，二氧化硫與二氧化氮濃度分別為30ppm和15ppm時(shí)，上述材料對(duì)中SO2和NO2的平衡吸附容量分別為75mg/g和63mg/g。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，溶液pH為5時(shí)，上述材料對(duì)100mg/L的鉛(II)的平衡吸附量為121mg/g。
[0027]實(shí)例4
[0028]將5g石墨稀用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液在50°C攪拌純化3個(gè)小時(shí)，烘干后加500ml的32.5%的硝酸攪拌5個(gè)小時(shí)，隨后加10ml的三乙四胺，攪拌加熱均勻后，加入5克N，N' - 二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)48小時(shí)。將產(chǎn)物洗滌干凈，烘干后得新型多功能空氣凈化材料。
[0029]上述材料對(duì)二氧化氮、二氧化硫與重金屬鉛離子表現(xiàn)了良好的吸附性能。在濕度為35%，煙氣流量為200L/h，二氧化硫與二氧化氮濃度分別為30ppm和15ppm時(shí)，上述材料對(duì)中SO2和NO2的平衡吸附容量分別為93mg/g和71mg/g。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，溶液pH為5時(shí)，上述材料對(duì)100mg/L的鉛(II)的平衡吸附量為106mg/g。
[0030]實(shí)例5
[0031]將5g生物質(zhì)炭(BET比表面937m2/g，中孔孔容為0.26ml/g)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液在60°C攪拌純化3個(gè)小時(shí)，烘干后加10ml的32.5%的硝酸攪拌5個(gè)小時(shí)，隨后加10ml的三乙四胺，攪拌加熱均勻后，加入5克N，N' -二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)24小時(shí)。將產(chǎn)物洗滌干凈，烘干后得新型多功能空氣凈化材料。
[0032]上述材料對(duì)二氧化氮、二氧化硫與重金屬鉛離子表現(xiàn)了良好的吸附性能。在濕度為35%，煙氣流量為200L/h，二氧化硫與二氧化氮濃度分別為30ppm和15ppm時(shí)，上述材料對(duì)中SO2和NO2的平衡吸附容量分別為81mg/g和69mg/g。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，溶液pH為5時(shí)，上述材料對(duì)100mg/L的鉛(II)的平衡吸附量為129mg/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種能同時(shí)高效去除空氣中微量氮氧化物、硫氧化物等酸性污染氣體以及重金屬鉛的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征是以多孔炭為原料，以鹽酸、硝酸、三乙四胺為改性劑，通過(guò)炭化、羧基化與分子共縮聚等步驟制備一種能高效吸附空氣中二氧化氮、二氧化硫等酸性氣體以及重金屬鉛(II)的多胺改性炭質(zhì)多功能空氣凈化材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化氮、二氧化硫等酸性氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征在于該方法包括多孔炭純化、羧基化、胺化、清洗、烘干，具體步驟如下: A)、將多孔炭用一定濃度的鹽酸溶液，在30?80°C下攪拌純化2個(gè)小時(shí)以上； B)、在純化后的多孔炭中加入一定濃度的硝酸溶液，加熱攪拌，待反應(yīng)完畢后將產(chǎn)物洗滌至中性，過(guò)濾烘干； C)、稱取一定量經(jīng)過(guò)步驟B)硝酸氧化后的多孔炭粉末，分散到一定量乙二胺溶液中，待攪拌均勻后，加入N，N' - 二環(huán)己基碳二亞胺，回流反應(yīng)一段時(shí)間； D)、將上述反應(yīng)產(chǎn)物先用乙醇粗洗，再用乙醚清洗，在一定溫度下烘干至恒重。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化氮、二氧化硫、三氧化硫等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征在于A)中所述的多孔炭為生物質(zhì)炭、活性炭、石墨稀或介孔碳。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化氮、二氧化硫等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征在于B)中所述硝酸濃度為10?50%。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化氮、二氧化硫等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征在于C)所述羧基化多孔炭與三乙四胺的比例為1: (10?50)。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化氮、二氧化硫、三氧化硫等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征在于E)中所述回流反應(yīng)時(shí)間為6?96h，優(yōu)選48h。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能同時(shí)高效去除空氣中微量二氧化氮、二氧化硫、三氧化硫等酸性污染氣體以及重金屬鉛(II)的新型多功能空氣凈化材料及其制備方法，其特征在于E)中N，K - 二環(huán)己基碳二亞胺與生物質(zhì)炭的質(zhì)量比為0.5-2。
【文檔編號(hào)】B01D53/02GK105879839SQ201410611998
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年10月30日
【發(fā)明人】李坤權(quán), 王效華, 楊美蓉, 王春月, 朱志強(qiáng)
【申請(qǐng)人】南京農(nóng)業(yè)大學(xué)