一種凈化空氣材料的制備方法及應用
【專利摘要】本發明涉及一種凈化空氣材料的制備方法及應用，屬于金屬復合功能材料的制備技術。該方法包括將鋁或鋁合金基材進行脫脂處理，至表面完全潤水；將高錳酸鹽溶于水中，攪拌使其充分溶解后加入輔助劑氨水或尿素，攪拌至均勻混合；將上步驟處理所得的鋁基材投入至混合溶液中再置于恒溫水浴加熱；最后取出鋁基材料，洗滌并干燥。本發明制備工藝簡便、成本低，易于實現大規模的生產。錳氧化物在鋁基表面負載牢固，顯著提升對室內空氣中甲醛的凈化效果。并可以在室溫下快速降解室內空氣中的甲醛，還可以進一步通過加熱鋁基材的方式提高甲醛凈化性能，保證催化劑的長久使用。
【專利說明】
一種凈化空氣材料的制備方法及應用
技術領域
[0001]本發明涉及一種鋁基材料表面上原位生長錳氧化物的方法，屬于金屬復合功能材料的制備技術。
【背景技術】
[0002]室內環境是人們生活、工作、學習和社交的主要場所。現代人至少有80%以上的時間是在室內環境中度過，室內的空氣質量的優劣與我們的健康息息相關。室內的VOCs成分復雜，常見的有甲醛、苯系物、低級醇、酮等，其中甲醛的檢出率較高。除了檢出率高，甲醛還是室內空氣中危害最嚴重的污染物。在室內環境中甲醛達到一定濃度時，人就會有不適感[Environ.Sc1.Technol.2014，48，5816-5822]。大于 0.08mg/m3 的甲醛濃度就可能引起皮炎、眼紅、眼癢、眼刺激、咽喉不適或疼痛、聲音嘶啞、噴嚏、胸悶、氣喘等癥狀。若長期暴露在甲醛氣氛中會對人體的健康產生不利的影響，甚至會導致癌癥的發生。因此，在2011年，美國國家毒理學計劃將甲醛列為已知的人類致癌物;而國際癌癥研究組織遭到2004年就將甲醛確定為人類致癌物。
[0003]催化氧化技術是被認為目前比較有效、成熟的凈化室內甲醛的方式。據報道，貴金屬催化劑能在室溫下將甲醛完全轉化[Angew.Chem.1nt.Ed.2012,51,9628-9632]，但其成本過高，導致其推廣應用的推廣受限。除了貴金屬催化劑，目前常用的金屬氧化劑催化物有Mn02、Ti02、Fe203、Ce02、Co304[ACS Catal.2015,5,2260-2269；Ind.Eng.Chem.Res.2015,54,8900-8907 !Environ.Sc1.Technol.2011,45,3628-3634]等。其中氧化錳對于甲醛的去除具有較高的活性，為了實際應用，錳氧化物需要成型或負載在一些合適的載體上。目前關于負載氧化錳有如下報道。譬如，研究者們將氧化錳負載在氧化鋁或活性炭顆粒上[Mater.Testing 2014,56(1):65-69]，但是這類顆粒型基材的風阻大，難以用于大風量的主動式空氣凈化設備。斯坦福大學的研究者將錳氧化物負載于多孔的紡織物上[Nan0.Lett.2010，10,708-714]，其制備過程需要先將石墨稀涂于紡織物的表面，制備過程復雜，而且負載的錳氧化物也不牢固，存在掉渣的現象，因此，需要開發一種風阻低、制備工藝簡便、制備成本低的甲醛凈化材料。
[0004]鋁和鋁合金作為最輕的工程結構材料之一，由于其密度小，比強度高，導熱和導電性好，耐磨、耐蝕性好，色澤美觀以及可塑性好和易于壓力加工等特點，被廣泛地被應用于航空航天，汽車，火車，電子，家電，輕便工具等領域。鋁基復合材料是以鋁或鋁合金為基體，以其它金屬，非金屬，或其氧化物等為增強鋁基性能的復合物。這種復合材料保持了鋁基體的特性，同時其性能得到進一步的提高。由于鋁基復合材料的性能主要取決于復合相的形貌、晶型、尺寸、性能及兩相的結合。因此，開發鋁基復合材料的性能及應用是鋁基復合材料的重要研究領域。本申請要解決的問題是如何將錳氧化物牢固、簡便地負載在鋁基材料上，一方面借助鋁基材料廣泛的應用市場，推廣應用錳氧化物，負載后錳氧化物更易于使用，同時也拓展了鋁基材料的功能，提升了鋁基材料的附加值。
[0005]現有的具有空氣凈化功能的空調器通常的做法是將空氣凈化裝置/模塊集成到室內空調器上，當氣體在經過風道時，受凈化裝置/模塊的阻力影響，大部分氣體是未通過凈化裝置/模塊而輸出，這也是導致采用現有技術的具有空氣凈化功能的空調凈化效率低且凈化效果差。因此，將催化劑負載在空調器的散熱器上，既能發揮空氣凈化裝置的空氣凈化作用，又能在只開啟空氣溫度調節功能時，使空氣凈化裝置/模塊風阻值低，從而不影響空調的進風量。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術存在的問題，提出一種凈化空氣材料的制備方法及應用。解決了如何將錳氧化物牢固、簡便地負載在鋁及鋁合金材料上的問題。一方面借助鋁基材料廣泛的應用市場，推廣應用錳氧化物，負載后錳氧化物更易于使用，同時也拓展了鋁基材料的功能，提升鋁基材料的附加值。本發明的目的是在鋁基表面上原位生長錳氧化物，提供一種簡便的甲醛凈化材料的制備方法，使之獲得的錳氧化物能夠高效地降解室內空氣中的甲醛。該甲醛凈化材料的制備方法簡便、成本低。本發明在鋁基上原位氧化法負載的錳氧化物在室溫下可降解室內空氣中的甲醛，利用鋁基材料的大表面積和易于制備等優點，同時還可以加熱招基材料進一步提尚對室內空氣中甲酉全的凈化效率。
[0007]本發明的一種凈化空氣材料的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟:
[0008](I)將鋁或鋁合金基材進行脫脂處理，至表面完全潤水；
[0009](2)將高錳酸鹽溶于水中，攪拌使其充分溶解后加入輔助劑氨水或尿素，攪拌至均勻混合；
[0010](3)將步驟(I)處理所得的鋁基材投入至步驟(2)的混合溶液中再置于恒溫水浴加執.JtW ，
[0011 ] (4)將步驟(3)完成后的鋁基材料取出，洗滌并干燥；
[0012]所述混合溶液中高錳酸鹽的濃度為0.l_60g/L，氨水或尿素的濃度為1.0_40g/L。
[0013]所述鋁基的表面積與高錳酸鹽的濃度比為0.2-28cm2:0.l_60g/L。
[0014]所述步驟(I)中的脫脂處理采用清洗劑將鋁基表面的油脂進行清洗，再用清水洗滌;所述清洗劑是酸性、堿性或有機溶劑的脫脂劑。
[0015]所述步驟(2)中的高錳酸鹽為水溶性高錳酸鹽，為高錳酸鉀、高錳酸鈉、高錳酸胺中的一種或它們的任意比組合。
[0016]所述步驟(3)的恒溫水浴加熱溫度為室溫_95°C，時間是0.5-12小時。
[0017]所述步驟(4)的干燥溫度為室溫_350°C。
[0018]本發明的一種凈化空氣材料的應用，其特征在于，所述凈化材料可應用于需要對空氣進行凈化的設備、工藝品。
[0019]本發明的優點主要體現在:
[0020](I)采用原位還原法一步合成負載型的錳氧化物，制備工藝簡便、成本低，易于實現大規模的生產。
[0021](2)錳氧化物在鋁基表面負載牢固，可以通過調節高錳酸鹽的濃度或氨水/尿素的濃度調節錳氧化物的負載量。
[0022](3)制備得到錳氧化物利用了鋁基材料的大表面積和易于制備等優點，顯著提升對室內空氣中甲醛的凈化效率。
[0023](4)所發明的凈化材料可以在室溫下快速降解室內空氣中的甲醛，還可以進一步通過加熱鋁基材提高甲醛凈化性能，保證催化劑的長久使用。
【附圖說明】
[0024]圖1為鋁片負載錳氧化物前后的照片，圖1a為鋁片，圖1b為錳氧化物負載后的/鋁片。
[0025]圖2為鋁片負載錳氧化物前后的電子顯微鏡圖示意圖，圖2a為鋁片，圖2b為錳氧化物/招片。
[0026]圖3為空調器換熱器表面負載錳氧化物前后的照片，圖3a為未負載，圖3b為負載后。
[0027]圖4為鋁片負載錳氧化物的XPS譜圖。
[0028]圖5為鋁片負載錳氧化物室溫下對甲醛的降解效果示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面通過具體實施例進一步說明本發明的優點，下述說明并不對本
【發明內容】
進行限制。
[0030]實施例1:
[0031]稱取6g高錳酸鉀，將其加入10mL純水中，超聲至完全溶解。隨后加入4mL氨水溶液，攪拌混勻。將質量為20g的鋁片經脫脂、堿洗去除表面的油脂和氧化層，用純水清洗至表面完全濕潤，然后投入上述的高錳酸鉀-氨水混合液中。將此溶液置于恒溫水浴40°C下反應5h。取出鋁片，在60°C下烘干，即得到鋁基負載的錳氧化物。
[0032]圖1為鋁片負載的錳氧化物的前后照片。鋁片未負載時(圖1a)，展現出銀色的金屬表面;負載后(圖1b)，鋁片的顏色呈現棕色，說明鋁片的表面已經負載了大量的錳氧化物。
[0033]圖2為鋁片負載錳氧化物前后的掃描電鏡圖。由圖2a可見未負載前，鋁片的表面較為光滑;負載后(圖2b)鋁片的表面覆蓋大量的錳氧化物納米顆粒。
[0034]實施例2:
[0035]稱取0.1g高錳酸鉀，將其加入10mL純水中，超聲至完全溶解。隨后加入Ig尿素，攪拌混勻。將質量為0.7g的鋁片經脫脂、堿洗去除表面的油脂和氧化層，用純水清洗至表面完全濕潤，后投入上述的高錳酸鉀-尿素混合液中。將此溶液置于恒溫水浴95°C下反應10h。取出鋁片，在105°C下烘干，即得到鋁基負載的錳氧化物。
[0036]圖4為鋁基上負載的錳氧化物的Mn2p的XPS圖。可以看出其中在653.4eV和641.7eV分別有2個特征峰，并且兩個峰的能量間距為11.7eV，分別與二氧化錳中的Mn 2p1/2和Mn2p3/2相吻合，由此可以推斷招基材料上負載的猛氧化物主為+4價的二氧化猛。
[0037]在室溫下測定實施例2中所獲得的負載的錳氧化物的鋁基材料對甲醛的去除效果。在體積為3.5L，相對濕度為30?60 %，初始濃度為300mg/m3的測量瓶中放置8g負載的錳氧化物的鋁基材料對瓶中的甲醛進行降解。每隔一小時測定瓶中的甲醛濃度，結果如圖5所示。5小時后，瓶中的甲醛基本降解完，說明通過此方法制備的錳氧化物可以作為甲醛凈化材料。
[0038]實施例3
[0039]將空調器的金屬換熱器的翅片上按照本發明的方法負載降解甲醛的催化劑(如附圖3)。銀白色的金屬換熱器的表面負載甲醛催化劑后，換熱器表面呈現棕褐色。將換熱器固定在空調室內機上，通過操控遙控器，即可實現空調功能和空氣凈化功能。當運行空調器的時，啟動空氣凈化模式，室內空氣通過進風口進入空調器殼體內的換熱器，經過換熱，換熱器表面的催化劑對空氣中的污染物進行降解，而后干凈的空氣從出風口流出。達到空氣凈化。在制冷模式或常溫模式下工作的催化劑可以進行室內空氣污染物的降解；當空調開啟制熱模式時，換熱器上散發出來的熱量能快速地處理在催化劑表面累計的中間產物，并顯著提高對室內空氣中甲醛的凈化。
[0040]也可將用本發明的材料直接制成產品置于需要凈化空氣的空間內使用，在室溫下直接分解空氣中的甲醛和臭氧，再通過加熱對催化劑進行快速再生。
【主權項】
1.一種凈化空氣材料的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟: (1)將鋁或鋁合金基材進行脫脂處理，至表面完全潤水； (2)將高錳酸鹽溶于水中，攪拌使其充分溶解后加入輔助劑氨水或尿素，攪拌至均勻混合； (3)將步驟(I)處理所得的鋁基材投入至步驟(2)的混合溶液中再置于恒溫水浴加熱； (4)將步驟(3)完成后的鋁基材料取出，洗滌并干燥； 所述混合溶液中高錳酸鹽的濃度為0.l_60g/L，氨水或尿素的濃度為1.0-40g/L。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鋁基的表面積與高錳酸鹽的濃度比為0.2-28cm2:0.l-60g/L。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中的脫脂處理采用清洗劑將鋁基表面的油脂進行清洗，再用清水洗滌;所述清洗劑是酸性、堿性或有機溶劑的脫脂劑。4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的高錳酸鹽為水溶性高錳酸鹽，為高錳酸鉀、高錳酸鈉、高錳酸胺中的一種或它們的任意比組合。5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的恒溫水浴加熱溫度為室溫-95 °C，時間是0.5-12小時。6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)的干燥溫度為室溫-350Γ。7.根據權利要求1-6所述的凈化材料的應用，其特征在于，所述凈化材料可應用于需要對空氣進行凈化的設備、工藝品。
【文檔編號】B01D53/66GK105921145SQ201610280178
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】張彭義, 劉芳
【申請人】清華大學