一種矽鈦複合濾芯材料及其製備方法和應用與流程

2023-06-21 18:50:41

本發明涉及空氣淨化技術領域。更具體地，涉及一種矽鈦複合濾芯材料及其製備方法和應用。

背景技術：

空氣汙染是一個廣泛存在於我們身邊的現象，尤其是人們在對美麗生活追求的同時，工業化程度的提高，不覺中就陷入了汙染空氣的環境裡。室內到處可見的霧霾灰塵、揮之不去的香菸煙霧、廚房油煙以及數以萬計的蟎蟲、細菌，現代人的辦公室與居室的空氣汙染已經到了危害環境健康的地步。

汙染的存在，影響環境的同時危害著人們的身心健康。目前傳統的空氣淨化濾芯類材料多是以活性碳等產品為成份的濾料配合膜過濾的過濾材料為主。

活性碳產品主要是指木碳和竹碳類的活性碳。在空氣淨化領域，活性碳類空氣淨化劑是目前市面上廣泛使用的空氣淨化劑濾料，其優勢是價格低，市場容易接受。缺點是由於其產品本身特性的原因，很難達到消除空氣汙染的效果，不但效率低，且體積龐大易燃、沾水或者一旦破損，則會對環境造成新的汙染。

因此，需要提供一種新型高效且整潔的矽鈦複合濾芯材料。

技術實現要素：

本發明的一個目的在於提供一種矽鈦複合濾芯材料。

本發明的另一個目的在於提供一種矽鈦複合濾芯材料的製備方法。本發明的矽鈦複合濾芯材料是在鍛燒後的硅藻礦物混合材料上負載催化劑後製備得到的。

本發明的第三個目的在於提供一種矽鈦複合濾芯材料的應用。

為達到上述第一個目的，本發明採用下述技術方案：

一種矽鈦複合濾芯材料，包括矽鈦複合濾芯載體以及負載於矽鈦複合濾芯載體之上的催化劑；按重量份數計，矽鈦複合濾芯材料載體為68～98.8份、催化劑為1～32份；所述負載於濾芯材料載體之上的催化劑為納米二氧化鈦螯合貴金屬催化劑。本發明經過大量實驗檢驗證實，當濾芯材料載體範圍縮小到68-98.8範圍、催化劑縮小到1.2-32份時，本發明中矽鈦複合材料與催化劑負載效率會更好，因此得到的消除甲醛監測數據會更高，甲醛去除效率會提高到90％。該矽鈦複合濾芯材料不但淨化效果好同時還具有方便使用的優點，該濾芯材料既可放到現有的空氣淨化器濾網中使用、也可製成特殊形狀如蜂窩孔狀板或複合在濾膜hepa以及布料、纖維中使用、同時有不助燃不怕水洗及無二次汙染，填補了利用矽鈦複合礦物質負載高效催化劑製造空氣淨化裝置濾芯材料的空白。

優選地，按重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述矽鈦複合濾芯材料中濾芯材料載體可為68～95份、68～90份、68～85份、85～98.8份、85～95份、85～90份、90～98.8份、90～95份、95～98.8份等。

優選地，按重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述矽鈦複合濾芯材料中催化劑可為1.2～15份、1.2～10份、1.2～5份、5～32份、5～15份、5～10份、10～32份、10～15份、15～32份等。

優選地，所述濾芯材料載體包括功能材料和輔助材料。

優選地，按照重量份數計，所述濾芯材料載體包括功能材料5～70份、輔助材料30～95份。

優選地，按照重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述濾芯材料載體中功能材料可為5～50份、5～45份、5～35份、35～70份、35～50份、35～45份、45～70份、45～50份、50～70份等。

優選地，按照重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述濾芯材料載體中輔助材料可為30～65份、30～50份、50～95份、50～65份、65～95份等。

優選地，所述功能材料為硅藻礦物質和/或沸石。

優選地，按重量份數計，所述功能材料包括硅藻礦物質30～100份，沸石0～70份。

優選地，按照重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述功能材料中硅藻礦物質可為30～70份、30～65份、30～50份、50～100份、50～70份、50～65份、65～100份、60～70份、70～100份等。

優選地，按照重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述功能材料中沸石可為0～50份、0～35份、0～30份、30～70份、30～50份、30～35份、35～70份、35～50份、50～70份等。

優選地，所述硅藻礦物質選自硅藻頁巖粉和硅藻土中的一種或兩種，二者任意混合或單獨使用均可。

優選地，所述輔助材料選自氧化鋁、二氧化鈦、成孔劑中的一種或多種。本發明採用氧化鋁的主要作用是在煅燒過程中起到粘結的作用，使得載體能夠在高溫下燒結成型不怕水浸，二氧化鈦的作用是輔助各種粉體基配更合理；成孔劑的作用是增加整個載體的孔隙率及減輕重量並有助於濾芯載體負載催化劑的效率。

優選地，按重量份數計，所述輔助材料包括氧化鋁35～95份，二氧化鈦0～60份，成孔劑5～10份。

優選地，按照重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述輔助材料中氧化鋁可為35～90份、35～85份、35～65份、35～45份、45～95份、45～90份、45～85份、45～65份、65～95份、65～90份、65～85份、85～95份、85～90份、90～95份等。

優選地，按照重量份數計，在本發明的某些具體實施方式中，所述輔助材料中二氧化鈦可為0～45份、0～30份、0～5份、5～60份、5～45份、5～30份、30～60份、30～45份、45～60份等。

優選地，所述成孔劑指適用於氧化鋁燒制過程中的成孔劑，其成孔直徑約為3～10納米。本發明採用成孔劑可以增加孔隙率減輕整體重量，孔隙率增加也對負載過程能夠順利完成有促進作用。

優選地，所述濾芯材料載體在負載催化劑前經過鍛燒工藝處理。

優選地，所述鍛燒工藝處理過程為功能材料與輔助材料混合成型後煅燒後獲得濾芯材料載體。本發明中的濾芯材料載體經過鍛燒後，形成了較為堅硬的陶的特性，強度好、不怕火燒，同時，鍛燒過程會去除孔隙中的雜質，從而使其表面及內部的納米孔隙暢通率、有效比表面積有所提高，便於更高效的負載催化劑。

優選地，所述功能材料為粉體材料，所述沸石為煅燒後製成的沸石粉體。本發明選用粉體配料可以使材料配比在單一工藝環節中完成，有助於成品精度及基配比例的準確。

優選地，所述納米二氧化鈦螯合貴金屬催化劑是將納米級二氧化鈦催化劑與貴金屬催化劑通過螯合反應形成新的二氧化鈦螯合貴金屬催化劑；所述貴金屬催化劑為鉑、銠或鈀催化劑。

本發明的矽鈦複合濾芯材料為用於空氣淨化裝置的負載催化劑的濾芯材料，由硅藻礦物質和其他功能材料及輔料混合成型鍛燒後負載催化劑製成。所述硅藻礦物質是一些細粒粉，具多孔結構特性，本身就具有吸附及過濾效果。尤其是硅藻土及硅藻頁巖顆粒上布滿了納米級的細孔，是成熟的工業助濾劑，常用於啤酒、酒精等工業純淨液體的過濾；所述的沸石更是被稱為天然「分子篩」，具有極強的分子過濾的特性；本發明的輔助材料成孔劑可以增加載體本身的孔隙率，有助於硅藻及沸石材料的孔隙率被最大效度的暴露從而發揮更好的負載催化劑的作用。本發明所述的催化劑能夠有效地促進甲醛等汙染物的分解。由於這些礦物質等材料天然的多孔特性，本身就具備一定的對甲醛等有害氣體的吸附作用，再疊加催化劑的催化分解作用，負載後大大的提高了消除甲醛等有害氣體的效率。

為達到第二個目的，本發明採用下述技術方案：

一種如上所述的矽鈦複合濾芯材料的製備方法，包括如下工藝步驟：

將功能材料與輔助材料按比例混勻，成型後煅燒得到濾芯材料載體，在其表面和內部負載催化劑，乾燥後即得矽鈦複合濾芯材料。

優選地，所述製備方法具體包括如下步驟：

1)選料，將功能材料與輔助材料按比例均勻混合；

2)成型，將步驟1)所述混合後的材料製成需要的形狀；

3)鍛燒，將步驟2)成型後的材料進行煅燒，得到矽鈦複合濾芯材料載體；

4)負載，以步驟3)中燒結後的濾芯材料載體為載體，在其表面和內部負載催化劑；

5)乾燥，在密閉環境中按照乾燥工藝進行乾燥處理；

6)檢測，檢測功能效果是否合格，合格後即得所述的矽鈦複合濾芯濾料產品。

優選地，步驟2)中所述需要的形狀為淨化裝置所需要的濾芯形狀，包括但不限於用作蜂窩網眼框架中濾料的圓形顆粒、用於在兩層濾紙之間複合的細小顆粒和直接製成空氣過濾的蜂窩網眼狀板。

優選地，步驟3)中，所述鍛燒溫度為450℃-1200℃。在本發明的某些具體實施方式中，所述鍛燒溫度可為，例如：450℃-800℃、450℃-750℃、450℃-650℃、650℃-1200℃、650℃-800℃、650℃-750℃、750℃-1200℃、750℃-800℃、800℃-1200℃等。

優選地，步驟4)中，矽鈦複合濾芯材料載體表面和內部負載催化劑的方法為塗覆、浸泡或化學反應；所述負載為任意比例及任意順序負載。

為達到上述第三個目的，本發明採用下述技術方案：

一種矽鈦複合濾芯材料在淨化空氣領域的應用。

優選地，所述矽鈦複合濾芯材料用作現有空氣淨化裝置蜂窩狀過濾網的濾料，替代活性炭等傳統過濾材料顆粒；

優選地，所述矽鈦複合濾芯材料用於製成整體多孔蜂窩狀型材，比如燒製成蜂窩多孔狀硅藻陶孔板，替代現用空氣淨化裝置過濾網。

優選地，經步驟1)鍛燒工藝後的矽鈦複合濾芯材料微小顆粒負載催化劑複合在兩層或多層過濾膜之間製成複合hepa濾紙。

本申請人經過大量的研究發現，硅藻礦物質具有良好的多孔特性，孔隙率極高，其微觀表面是粗糙的、凹凸不平的，是催化劑的良好載體。但是，未經鍛燒處理的硅藻礦物質含有大量雜質，納米孔隙通暢率低，難以較好地與催化劑結合。同時，硅藻礦物質表面的微觀結構又具有較高的比表面積，提高了催化劑接觸空氣的機會，它直接影響了催化反應的效率。經過大量的探索性實驗，最終本申請選擇將矽鈦複合濾芯材料載體進行鍛燒，經過鍛燒後，矽鈦複合濾芯材料載體形成了較為堅硬的陶的特性，強度好、不怕火燒，同時，鍛燒過程會去除孔隙中的雜質，從而使其表面及內部的納米孔隙暢通率、有效比表面積有所提高，便於更高效的負載催化劑。在鍛燒後的矽鈦複合濾芯材料載體上進行負載催化劑，同時按照本技術方案限定的負載量(按重量份數計，矽鈦複合濾芯材料載體為68-98.8份，催化劑為1.2-32份)負載催化劑，從而能夠將其與催化劑進行良好結合、協同作用，即可以增加捕捉甲醛等有機物氣體分子的機率，又使得二者產生納米界面材料的二元協同效應進而增強降解淨化的能力。

本發明的技術方案填補了矽鈦複合材料鍛燒後負載貴金屬催化劑製造空氣淨化裝置濾芯材料的硅藻淨化技術的空白，提出了一種密閉空間去除霧霾顆粒物及甲醛等汙染物的高效理想空氣淨化劑，同時，使用方便、不怕水、更沒有二次汙染。本發明的製備方法，可根據需要製備不同形狀的濾芯材料，得到的濾芯材料既可放到現有的空氣淨化裝置濾網中使用、也可製成特殊形狀如蜂窩孔狀板或複合在濾膜hepa以及布料、纖維中使用。

本發明的有益效果如下：

1、本發明的矽鈦複合濾芯材料具有高效的淨化空氣的功能，可以有效地淨化甲醛等汙染物，在標準容器中對甲醛的淨化效率達到90.00％；

2.本發明的矽鈦複合濾芯材料具有長期去除汙染、淨化空氣的作用，可以持續不斷的淨化汙染物，具有時間持久、持續作用的優點；

3、本發明的矽鈦複合濾芯材料中的硅藻礦物質及催化劑均屬於無毒、無害的材料，對人體安全可靠，不會產生二次汙染。

4、本發明的矽鈦複合濾芯材料方便使用，可以以顆粒的形式放在現有的蜂窩網骨架中使用，成型狀的也可以單獨配置在空氣淨化裝置中使用，即使有洩漏及暴露於空氣中，也不會汙染環境；

5、本發明的矽鈦複合濾芯材料與活性碳等傳統同類產品相比單位空間中使用量大大降低，同時不助燃、防水性好，大大的方便了使用。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出本發明實施例1所製備的產品經廣東省微生物分析檢測中心分析檢測的甲醛淨化效率的檢測報告第一頁。

圖2示出本發明實施例1所製備的產品經廣東省微生物分析檢測中心分析檢測的甲醛淨化效率的檢測報告第二頁。

圖3示出本發明實施例1所製備的產品經廣東省微生物分析檢測中心分析檢測的甲醛淨化效率的檢測報告第三頁。

圖4示出本發明實施例1所製備的產品經廣東省微生物分析檢測中心分析檢測的甲醛淨化效率的檢測報告第四頁。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例對本發明做進一步的說明。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。

實施例1

一種矽鈦複合濾芯材料，按重量份數計其組成為：矽鈦複合濾芯材料載體98.8份以及負載於其上的催化劑1.2份。所述矽鈦複合濾芯材料載體為圓形直徑在3-6mm小顆粒狀，催化劑為納米級二氧化鈦螯合貴金屬催化劑。

所述矽鈦複合濾芯材料的製備方法，包括如下工藝步驟：

1)選料，選擇功能材料5份和輔助材料95份並進行混合。其中功能材料為硅藻礦物質100份的粉體材料，所述硅藻礦物質是指硅藻頁巖粉。所述輔助材料為氧化鋁90份及成孔劑10份。

2)成型，將步驟1)所述混合後的材料製成圓形直徑在3-6mm小顆粒狀。

3)鍛燒，將步驟2)得到的材料經攝氏1200度溫度煅燒，得到矽鈦複合濾芯材料載體顆粒，自然降溫到常溫；

4)負載，取納米級二氧化鈦螯合貴金屬催化劑1.2份，採用塗覆方式將催化劑負載到98.8份矽鈦複合濾芯材料載體顆粒的內部和表面；

5)乾燥，在密閉環境中按照乾燥工藝進行乾燥處理；

6)檢測，檢測功能效果是否合格，合格後即製備成所述的矽鈦複合濾芯材料產品。

為便於說明問題，選取裝有本實施例的濾芯的車載淨化器進行測試，如圖1～4所示，經過權威機構檢測，空氣淨化器甲醛淨化效率90％(廣微檢測中心報告編號：2017fm00505r04)。

實施例2

一種矽鈦複合濾芯材料，按重量份數計其組成為：矽鈦複合濾芯材料載體68份以及負載於其上的催化劑32份。所述矽鈦複合濾芯材料載體為圓形直徑在0.03-0.5mm粉體顆粒狀，催化劑為納米級二氧化鈦螯合貴金屬催化劑。

所述矽鈦複合濾芯材料的製備方法，包括如下工藝步驟：

1)選料，選擇功能材料70份和輔助材料30份並進行混合。其中功能材料為硅藻礦物質30份、沸石70份混合而成的粉體材料，所述硅藻礦物質是指硅藻土粉，所述輔助材料為氧化鋁35份，二氧化鈦60份及成孔劑5份。

2)成型，將步驟1)所述混合後的材料製成圓形直徑在0.03-0.5mm顆粒狀；

3)鍛燒，將步驟2)得到的材料經攝氏450度溫度煅燒，得到矽鈦複合濾芯材料載體顆粒，自然降溫到常溫；

4)負載，取催化劑32份，通過浸泡方式將催化劑負載到68份矽鈦複合濾芯材料載體顆粒的內部和表面；

5)乾燥，在密閉環境中按照乾燥工藝進行乾燥處理；

6)檢測，檢測功能效果是否合格，合格後即製備成所述的矽鈦複合濾芯材料產品。

本實施例產品降解甲醛等汙染物的空氣淨化效果與實施例1的產品淨化效果類似。

實施例3

一種矽鈦複合濾芯材料，按重量份數計其組成為：矽鈦複合濾芯材料載體85份以及負載於其上的催化劑15份。所述矽鈦複合濾芯材料載體為板狀的多蜂窩孔狀型材，版型尺寸長度100mm/寬100mm/厚15mm，在板上均勻分布著直徑1.5mm的通透細孔，孔間距離1.0mm。所述催化劑為負載二氧化鈦螯合貴金屬催化劑。

所述矽鈦複合濾芯材料的製備方法，包括如下工藝步驟：

1)選料，選擇功能材料50份和輔助材料50份並進行混合。其中功能材料為硅藻礦物質50份、沸石50份混合而成的粉體材料，所述硅藻礦物質是指硅藻頁巖粉，所述輔助材料為氧化鋁45份，二氧化鈦45份及成孔劑10份。

2)成型，將步驟1)所述混合後的材料製成板狀的多蜂窩孔狀型材，版型尺寸長度100mm/寬100mm/厚15mm，在板上均勻分布著直徑1.5mm的通透細孔，孔間距離1.0mm。

3)鍛燒工藝，將步驟2)得到的材料經攝氏650度溫度煅燒，得到矽鈦複合濾芯材料載體顆粒，自然降溫到常溫；

4)負載，通過塗覆方式將15份催化劑負載到85份矽鈦複合濾芯材料載體顆粒的內部和表面；

5)乾燥，在密閉環境中按照乾燥工藝進行乾燥處理；

6)檢測，檢測功能效果是否合格，合格後即製備成所述的矽鈦複合濾芯材料產品。

本實施例產品降解甲醛等汙染物的空氣淨化效果與實施例1的產品淨化效果類似。

實施例4

一種矽鈦複合濾芯材料，按重量份數計其組成為：矽鈦複合濾芯材料載體90份以及負載於其上的催化劑10份。所述矽鈦複合濾芯材料載體為圓形直徑在0.02-0.8mm顆粒，所述負載的催化劑為負載二氧化鈦螯合貴金屬催化劑。

所述矽鈦複合濾芯材料的製備方法，包括如下工藝步驟：

1)選料，選擇功能材料35份和輔助材料65份並進行混合。其中功能材料為硅藻礦物質65份、沸石35份混合而成的粉體材料，所述硅藻礦物質是指硅藻頁巖粉與硅藻土任意混合，所述輔助材料為氧化鋁65份，二氧化鈦30份及成孔劑5份。

2)成型，將步驟1)所述混合後的材料製成圓形直徑在0.02-0.8mm顆粒；

3)鍛燒，將步驟2)得到的材料經攝氏750度溫度煅燒，得到矽鈦複合濾芯材料載體顆粒，自然降溫到常溫；

4)負載，通過浸泡方式將催化劑10份負載到90份矽鈦複合濾芯材料載體顆粒的內部和表面；

5)乾燥，在密閉環境中按照乾燥工藝進行乾燥處理；

6)檢測，檢測功能效果是否合格，合格後即製備成所述的矽鈦複合濾芯材料產品。

7)複合，將製成的矽鈦複合濾芯材料複合到兩層過濾膜之間得到複合過濾膜產品，即複合多功能hepa材料；

本實施例產品降解甲醛等汙染物的空氣淨化效果與實施例1的產品淨化效果類似。

實施例5

一種矽鈦複合濾芯材料，按重量份數計其組成為：矽鈦複合濾芯材料載體95份以及負載於其上的催化劑5份。所述矽鈦複合濾芯材料載體為圓形直徑在2-8mm小顆粒狀，所述催化劑為生物酶催化劑。

所述矽鈦複合濾芯材料的製備方法，包括如下工藝步驟：

1)選料，選擇功能材料45份和輔助材料65份並進行混合。其中功能材料為硅藻礦物質70份、沸石30份混合而成的粉體材料，所述硅藻礦物質是指硅藻頁巖粉，所述輔助材料為氧化鋁85份，二氧化鈦5份及成孔劑10份。

2)成型，將步驟1)所述混合後的材料製成圓形直徑在2-8mm小顆粒狀；

3)鍛燒，將步驟2)得到的材料經攝氏800度溫度煅燒，得到矽鈦複合濾芯材料載體顆粒，自然降溫到常溫；

4)負載，取催化劑5份，通過塗覆方式將催化劑負載到95份矽鈦複合濾芯材料載體顆粒的內部和表面；

5)乾燥，在密閉環境中按照乾燥工藝進行乾燥處理；

6)檢測，檢測功能效果是否合格，合格後即製備成所述的矽鈦複合濾芯材料產品。

本實施例產品降解甲醛等汙染物的空氣淨化效果與實施例1的產品淨化效果類似。

對比例1

一種矽鈦複合濾芯材料，製備方法同實施例1，不同之處僅在於：

步驟3)中矽鈦複合濾芯材料載體不進行鍛燒。

因此，進行步驟4)負載時由於未鍛燒，強度弱遇水會恢復泥狀，在經過負載催化劑過程時，由於防水性不好，顆粒無法保持原有顆粒狀會遇水散掉。這樣將無法完成負載催化劑的過程。

由於4)未完成，因此無法進行步驟5)和步驟6)。

對比例2

一種矽鈦複合濾芯材料，製備方法同實施例1，不同之處僅在於：

步驟1)中矽鈦複合濾芯材料僅為功能性材料，即步驟1)中選料僅採用功能材料5份。

因未添加輔助材料，導致步驟3)中經攝氏1200度溫度煅燒後的矽鈦複合濾芯材料載體顆粒無法成型仍會粉化成粉體。由於3)未完成，因此無法進行步驟4)～步驟6)，無法得到矽鈦複合濾芯材料。

結論：各種材料配比以及實施步驟之間相互配合，協同作用，使其淨化空氣的作用效果最優，缺少必需材料成份或實施步驟不完整，都會影響該產品是否能夠製成。本發明的產品在淨化甲醛淨化效率方面具有優良的效果。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。