具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法
2023-10-05 07:24:29 3
專利名稱：具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法
技術領域：
本發明提出了一種低濃度有機廢氣或臭氣的淨化材料及其加工方法，主 要涉及所用的摻雜複合光催化材料、及附著有這種材料的載體。
技術背景隨著工、農業的發展和城市人口的膨脹，惡臭氣體的汙染問題日趨突出， 給人們的生活質量造成了嚴重影響，並且會直接危害人體的健康。在城市臭 氣來源方面，市政汙水的收集與處理過程是造成臭氣排放的主要原因，其中 汙水泵站及汙水處理廠的臭氣排放情況最為嚴重。另外，在城市生活垃圾、 糞便的收集、轉運等場所也會釋放大量的惡臭氣體，對周圍的環境質量造成 嚴重破壞，同時也影響著現代都市的形象。隨著公眾對生活環境質量意識的 提高，針對惡臭的汙染問題的投訴和抱怨的事件在急劇增加，已成為及待解 決的環保問題之一。常規的惡臭氣體治理技術主要有吸附法、吸收法和生物分解法等。但是， 由於市政汙水系統所釋放臭氣的特殊性，上述方法難以對其進行經濟、有效 的處理，急需開發經濟有效的治理新技術。近年來，以半導體金屬氧化物為催化劑的光催化氧化技術在廢氣淨化領 域中的應用受到關注。該技術直接利用紫外光在常溫下來激活催化劑，使其表面生成自由電子(e—)和空穴(H+)對，將吸收的光能轉化成化學能，即具有光 催化作用。在有空氣和水蒸汽存在時，催化劑表面上的自由電子或空穴分解 可以與所吸附的水或水蒸氣作用產生強氧化性的羥基自由基(OH*)、原子態的 氧(0*)、臭氧(03)及過氧化氫(H202)等，這些物質具有很強的氧化作用， 從而將廢氣中的異味物質(如硫化氫、氨氣等)氧化分解，達到除臭效果。目前二氧化鈦(Ti02)是最有應用價值的光催化劑，且在廢氣淨化領域 中已有應用。然而，單純以二氧化鈦作為光催化劑時只能利用波長小於 387.5nm的紫外光，而對于波長較大的光則無法利用。由於自然光中波長小於 387. 5nm的光所佔比例很小(<4%)，因此一般的光催化劑無法有效利用自然光。 而且，由於大部分的紫外光源所產生光的波長也是在一定範圍分布的，其中 波長大於387. 5nm的光也無法得到有效利用，很大程度上造成能量浪費。在 上述情況下，若能採用適當的處理方法，使光催化劑能夠利用波長較寬的光 源，則可使所有光能的利用效率增加，甚至可以直接利用自然光。此外，由於泵站或其它工業廢氣氣體流量一般較高，在光催化淨化室內 的停留時間非常有限(多在5秒以下)，而光催化反應的速度相對較慢，有些 汙染物還來不及與活性粒子反應。因此，需要採取適當的方法，來選擇性地 增加汙染物分子在光催化區內的停留時間。同時在光催化劑區內也會產生少 量臭氧，如何充分臭氧並減少其流失也是光催化廢氣淨化技術的關鍵問題之國家知識產權局公開的申請號為200410029904.3，名稱為" 一種納米二 氧化鈦溶膠及其製備方法"的專利技術，它提供了一種具有光催化功能的納 米二氧化鈦溶膠及其製備方法。但其只能在紫外光下實現光催化作用。發明內容本發明針對光催化廢氣淨化技術所存在的問題，提出了以活性炭纖維為
光催化劑的載體，使其能在較寬光譜下實現光催化作用的具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法。本發明的技術方案是它為瀝青基或粘膠基，纖維為短纖維、織布或氈，纖維體的表面均勻附著有活性炭顆粒，在活性炭顆粒表面和顆粒間隙中均勻附著有納米級光催化劑。活性炭纖維裝載在帶有支撐網或支撐條的支撐框內形成光催化過濾層。本發明的加工方法，它包括如下步驟-1) 將鈦的有機化合物或無機化合物加入溶劑中攪拌，其中鈦的有機化合 物或無機化合物折算為二氧化鈦的重量佔目標溶液總量的2 30%;再把濃度為1-10%的硫酸按1:0. 5 2的體積比加入上述溶液，攪拌；之後調整混合液 的pH值至6 7,攪拌3 7分鐘，製得A溶液；2) 選取改性摻雜用金屬離子的可溶性硝酸鹽或有機鹽，將其折算為高價 態金屬氧化物計量，使用去離子水將其配製為濃度1-5%的溶液，製得B溶液;3) 將A、 B混合，使溶液中摻雜金屬氧化物與二氧化鈦重量之比為0. 01 0.2: 1;之後調整混合液pH值調到6.5 7.5，並攪拌，製得溶膠；4) 稱取一定量的活性炭纖維，將其置入廣口容器中，取一定體積的溶膠 對活性炭纖維進行浸泡，使溶膠中的含鈦、改性金屬離子的溶膠以及少量銨 鹽逐漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在3 7小時左右；5) 再將浸泡後的活性炭纖維撈出，瀝乾水後置入烘箱內，加溫至90"C 110°C，烘乾；6) 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述千燥後的活性炭纖維在430°C 470('C的無氧的環境中灼燒3 4小時，使沉積在活性炭纖維表面上的粒子轉 化為納米級的摻雜光催化劑材料；7) 最後，將上述處理後的活性炭纖維，置入支撐框內，製成厚度為10 30mm的纖維濾層。
所述的鈦的有機化合物為四異丙醇鈦酸酯、鈦酸丁酯，無機化合物為 硫酸鈦、四氯化鈦；其中的一種或一種以上。所述的改性金屬化合物為氯化鈀或鐵、鎢、釩、鐵、鎘、鋯的可溶性硝 酸鹽或有機鹽中的一種或一種以上。所述的溶劑為醇類溶劑。本發明基於光催化技術原理及吸附-反應動力學理論，採用了適當的化學物質及處理方法對二氧化鈦催化劑進行改性，使處理後的催化劑具有更高的光催化反應活性，並且能夠利用波長較大的紫外光，甚至是自然光。用於改性的物質有鈀、鎢、釩、鐵、鎘、鋯等金屬氧化物以及銨鹽等。為了充分發揮光催化劑的作用，本發明採用高性能的活性碳纖維為載體。由於活性碳纖維具有多孔性好、比表面積大等特點，可使催化劑均勻、穩定的分散在其表面。將載有改性光催化劑的活性炭纖維，以-定的形式置入光催化室中，在普通紫外燈的照射下即可工作。此外，本發明所採用的活性炭纖維材料除用作催化劑載體外，還兼具良好吸附作用，能將廢氣中未能及時被催化分解的物質起"臨時"吸附作用，從而選擇性地延長了汙染物分子在光催化區的停留時間，有利於汙染物的充分去除。本發明的光催化淨化裝置具有淨化效率高、能耗低、能量利用率高、設備緊湊、淨化徹底及經濟性好等特點，適合於大流量、低濃度廢氣或惡臭氣體淨化。
圖1是本發明在具體應用中的工作原理示意中l是氣體出口， 2是紫外燈管，3是燈架，4是活性炭纖維光催化劑 框，5是粗濾網，6是氣體進口， 7是除臭裝置外殼，8是氣體導流板； 圖2是圖1中A向視中9是邊框，IO是支撐條，ll是活性炭纖維層。
具體實施方式
實施例11) 取500mL濃度為90%的四異丙醇鈦酸酯，置入10L的大口容器中，並用 異丙醇(化學純90%)稀釋到5L。再緩慢加入10%鹽酸水溶液1L,並用電動 攪拌器在200rpm的轉速下攪拌。之後，再用30%的氨水溶液將調解上述混 合液的pH值至6.5左右，並進行攪拌5分鐘，製成備用的溶膠A溶液。2) 取濃度為40%的草酸釩溶液50mL，用去離子水將其稀釋至500mL後， 緩慢加到盛裝溶膠A溶液的容器內，並不斷攪拌。再用30%的氨水溶液將 混合PH值調到7左右，繼續快速攪拌製成C液。3) 稱取5份粘膠基活性炭纖維氈，每份為0. 8kg;將充分攪拌後的C液均 勻地分為5份，分別置入廣口容器中。將5份活性炭纖維分別置入分裝後 的C液中進行浸泡，使溶液中的含鈦、改性金屬離子的溶膠以及少量銨鹽 逐漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在5小時左右。4) 將浸泡後的活性炭纖維撈出，瀝乾水後置入烘箱內，在IOO"C左右烘乾; 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述乾燥後的活性炭纖維在450"C左右的 無氧的環境中灼燒3-4小時，使沉積在活性炭纖維表面上的粒子轉化為納 米級的摻雜光催化劑材料。5) 再將上述處理後的活性炭纖維，分別置入五個如圖2所示支撐框內 (1200 1200)，製成厚度為20mm的纖維過濾層。5個過濾層與紫外燈光 (4組，每組8個燈管，單個功率40W)按圖1所示形式交替布置燈管與催化層的距離為250mm。本發明專利中所用的的紫外燈的光源波長為在 300-400nm的紫外燈，也可採用400-700nm的可見光源提高光催化淨化汙 染氣體的效率。當廢氣從淨化裝置的入口經過過濾後(除去廢氣中的顆粒 物及霧滴等雜質)，進入並流經光催化區時，其中的汙染物在光催化的作用 下被直接分解或先吸附再分解，同時還可有效地殺滅廢氣中的細菌、病毒 等。被淨化後的氣體從出口排出。測試結果表明，當廢氣流量為4000m7h、硫化氫濃度為10mg/W時，通過 上述光催化劑裝置，可使硫化氫的去除率可長期穩定地達到95%以上，廢氣的 臭味基本被消除，完全滿足環保要求。然而，當活性炭纖維不含光催化劑時， 硫化氫的去除效率僅為70%左右，且去除效率隨設備的運行時間的延長而逐步 下降。可見，本發明所使用改性光催化技術具有很好的廢氣淨化效果。 實施例21) 取1000mL濃度為40%的硫酸鈦溶液，置入5L的大口容器中，並用去離子 水稀釋到3L。開啟電動攪拌器,在200rpm的轉速下攪拌。並用30%的氨水 溶液將調解上述混合液的pH值至6.5左右，並進行攪拌5分鐘，製成備用 的溶膠A溶液。2) 取濃度為20%的氯化鈀溶液20mL，用去離子水將其稀釋至100mL後，緩慢 加到盛裝溶膠A溶液的容器內，並不斷攪拌。再用30%的氨水溶液將混合 pH值調到7左右，繼續快速攪拌製成C液。3) 稱取5份粘膠基活性炭纖維氈，每份為0. 8kg;將充分攪拌後的C液均勻 地分為5份，分別置入廣口容器中。將5份活性炭纖維分別置入分裝後的 C液中進行浸泡，使溶液中的含鈦、改性金屬離子的溶膠以及少量銨鹽逐 漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在5小時左右。4) 將浸泡後的活性炭纖維撈出，瀝乾水後置入烘箱內，在100T左右烘千； 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述乾燥後的活性炭纖維在450('C左右的 無氧的環境中灼燒3-4小時，使沉積在活性炭纖維表面上的粒子轉化為納米級的摻雜光催化劑材料。5) 再將上述處理後的活性炭纖維，分別置入5個如圖2所示支撐框內(1200 1200)，製成厚度為20mm的纖維過濾層。5個過濾層與紫外燈關(4組，每 組8個燈管，單個功率40W)按圖1所示形式交替布置燈管與催化層的距 離為250mm。本發明專利中所用的的紫外燈的光源波長為在300-400nm的 紫外燈，也可採用400-700nm的可見光源提高光催化淨化汙染氣體的效率。 當廢氣從淨化裝置的入口經過過濾後(除去廢氣中的顆粒物及霧滴等雜 質)，進入並流經光催化區時，其中的汙染物在光催化的作用下被直接分解 或先吸附再分解，同時還可有效地殺滅廢氣中的細菌、病毒等。被淨化後 的氣體從出口排出。 測試結果表明，當廢氣流量為4000m7h、硫化氫濃度為10mg/m3時，通過上述光催化劑裝置，可使硫化氫的去除率可長期穩定地達到90%以上，廢氣的臭味基本被消除，滿足環保要求。 實施例3A液的製備方法同實例1,但C液改為使用10%的硝酸鎢溶液100mL。採 用與實例1相同的辦法，將催化劑分散在5kg載有活性炭粉的聚氨酯纖維氈， 製備出所需的光催化材料。仍將上述處理後的載有催化劑及活性炭的纖維，裝入與實例1所描述的 相同的淨化裝置中進行測試。結果表明，當廢氣流量為2000m7h、硫化氫濃 度為8mg/m3時，通過上述光催化劑裝置，可使硫化氫的去除率可長期穩定地 達到85%以上，廢氣的臭味基本被消除。以下結合附圖進一步說明本發明在具體應用中的工作原理。如圖1，在箱形除臭裝置外殼7的兩端分別設氣體進口 6和氣體出口 1 ， 在除臭裝置外殼7兩端的內部分別設氣體導流板8;在氣體進口 6—側的箱 內橫設一粗濾網5，然後逐個設置活性炭纖維光催化劑框4和燈架3;幻-架3 中裝設若干紫外燈管2。如圖2，活性炭纖維光催化劑框4由邊框9、支撐 條1 0和布設在其中的活性炭纖維層1 1構成。 廢氣進入氣體進口6後，由氣體導流板8作用，在箱內截面上形成均勻 氣流，通過粗濾網5後，廢氣中的顆粒物及霧滴等雜質被吸附；粗過濾後的 氣體進入並流經光催化區時，其中的汙染物在光催化的作用下被直接分解或 先吸附再分解，同時還可有效地殺滅廢氣中的細菌、病毒等。被淨化後的氣 體從出口 l排出。
權利要求
1. 一種具有納米級光催化劑的活性碳纖維，為瀝青基或粘膠基，纖維為短纖維、織布或氈，纖維體的表面均勻附著有活性炭顆粒，其特徵在於，在活性炭顆粒表面和顆粒間隙中均勻附著有納米級光催化劑。
2、 根據權利要求1所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維，其特徵在於，活性炭纖維裝載在帶有支撐網或支撐條的支撐框內形成 光催化過濾層。
3、 根據權利要求1所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的加工方法，其特徵在於，它包括如f步驟1) 將鈦的有機化合物或無機化合物加入溶劑中攪拌，其中鈦的 有機化合物或無機化合物折算為二氧化鈦的重量佔目標溶液總量的2 30%;再把濃度為1-10%的硫酸按1:0. 5 2的體積比加入上述溶 液，攪拌；之後調整混合液的pH值至6 7，攪拌3 7分鐘，製得A 溶液；2) 選取改性摻雜用金屬離子的可溶性硝酸鹽或有機鹽，將其折 算為高價態金屬氧化物計量，使用去離子水將其配製為濃度1-5%的 溶液，製得B溶液；3) 將A、 B混合，使溶液中摻雜金屬氧化物與二氧化鈦重量之 比為0. 01-0. 2: 1 ;之後調整混合液pH值調到6. 5 7. 5，並攪拌， 製得溶膠；4) 稱取一定量的活性炭纖維，將其置入廣口容器中，取一定體 積的溶膠對活性炭纖維進行浸泡，使溶膠中的含鈦、改性金屬離子的 溶膠以及少量銨鹽逐漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在3 7小 時左右；5) 再將浸泡後的活性炭纖維撈出，瀝乾水後置入烘箱內，加溫 至90。C 110"C，烘乾；6) 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述乾燥後的活性炭纖維在 430°C 470。C的無氧的環境中灼燒3 4小時，使沉積在活性炭纖維 表面上的粒子轉化為納米級的摻雜光催化劑材料；7) 最後，將上述處理後的活性炭纖維，置入支撐框內，製成厚 度為10 30mm的纖維濾層。
4、 根據權利要求3所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的 加工方法，其特徵在於，所述的鈦的有機化合物為四異丙醇鈦酸酯、 鈦酸丁酯，無機化合物為硫酸鈦、四氯化鈦；其中的一種或一種以 上。
5、 根據權利要求3所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的 加工方法，其特徵在於，所述的改性金屬化合物為氯化鈀或鐵、鎢、 釩、鐵、鎘、鋯的可溶性硝酸鹽或有機鹽中的一種或一種以上。
6、 根據權利要求3所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的 加工方法，其特徵在於，所述的溶劑為醇類溶劑。
全文摘要
具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法。本發明提出了一種低濃度有機廢氣或臭氣的淨化材料及其加工方法，主要涉及所用的摻雜複合光催化材料、及附著有這種材料的載體。它為瀝青基或粘膠基，纖維為短纖維、織布或氈，纖維體的表面均勻附著有活性炭顆粒，在活性炭顆粒表面和顆粒間隙中均勻附著有納米級光催化劑。本發明所採用的活性炭纖維材料除用作催化劑載體外，還兼具良好吸附作用，能將廢氣中未能及時被催化分解的物質起「臨時」吸附作用，從而選擇性地延長了汙染物分子在光催化區的停留時間，有利於汙染物的充分去除。
文檔編號B01J21/06GK101209411SQ20061016164
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者晏乃強, 王長勇, 田鴻彬, 金曉月 申請人:田鴻彬