一种臭氧催化纳米纤维的制备方法与流程

本发明涉及到空气净化领域，尤其涉及一种臭氧催化纳米纤维的制备方法。

背景技术：

cn201310309595.4公开了一种《二氧化锰/聚丙烯腈基氧化分解甲醛型纳米纤维膜的静电纺丝制备方法》，包括以下步骤：(1)将高锰酸钾和环己醇通过水热法制备纳米二氧化锰，纳米二氧化锰直径为50-600nm；(2)将聚丙烯腈(pan)和纳米二氧化锰(md)两者混合，然后溶于n-n二甲基甲酰胺(dmf)中，搅拌后得到分散均匀的静电纺丝溶液；其中，md与pan的质量比为0.01-0.5：1；(3)采用制得的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到二氧化锰/聚丙烯腈(md/pan)基氧化分解甲醛型纳米纤维膜。该纳米纤维膜具有氧化分解甲醛的功能。

但是，该纳米纤维膜将纳米二氧化锰直接添加在纺丝液中，不仅降低原纺丝液的可纺性，而且一部分mn离子被包裹在纤维丝内部，有效利用率降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种有效利用率高且既能去除颗粒物又能分解臭氧的臭氧催化纳米纤维的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种臭氧催化纳米纤维的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)配制聚合物溶液

将聚合物溶于溶剂中，在室温～80℃温度下，搅拌3～12h，制成均匀透明的浓度为5～20wt％聚合物溶液；

所述聚合物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚氧化乙烯和壳聚糖中的至少一种；

所述溶剂选自水、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、n,n二甲基乙酰胺和n-甲基吡咯烷酮中的至少一种；

2)纳米纤维制备

将所述聚合物溶液装入静电纺丝设备进行静电纺丝，制备成纤维网；

3)制备碳纳米纤维

将步骤2)制备的纤维网以1～5℃/min的速率升温至200～300℃，在空气中预氧化2～5h；然后以2～10℃/min的速率升温至600-1200℃，在惰性氛围中碳化2～5小时，得到碳纳米纤维；

4)负载臭氧催化剂

将步骤3)制备得到的碳纳米纤维浸入浓度为0.005～0.5mol/l的kmno4溶液中浸泡10～120min，然后用去离子水清洗，除去表面粘附物后，在60～110℃下干燥5～12h，制得臭氧催化复合纳米纤维。

所述碳纳米纤维的直径为100～600nm。

步骤2)中所述静电纺丝的工艺参数为：注射泵的流速为3～200μl/min，针和收集器之间的距离为5～25cm，施加的电压为8～30kv，收集器转速为300-3000rpm，纺丝的温度为20-30℃，湿度为40％-70％，在铝箔上收集所述的纤维网。

所述注射泵的流速为5～20μl/min，所述电压为15～25kv。

与现有技术相比，本发明的优点在于本发明中以静电纺丝制得高比表面积纳米纤维，再经高温碳化过程形成碳纳米纤维，再浸入kmno4溶液进行氧化还原反应，在碳纳米纤维表面形成具有臭氧催化活性的mnox纳米颗粒；相比于常规的臭氧催化剂，具有极高的比表面积和催化活性点位，有利于臭氧的分解，同时，在制作空净以及新风类滤网产品时，可以与颗粒物过滤滤网一步成型制得复合滤网，大大减少了空净和新风类滤网的制作工艺和成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中碳纳米纤维的电镜扫描照片；

图2为本发明实施例1中臭氧催化纳米纤维的电镜扫描照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

(1)纳米纤维制备

将15g聚乙烯醇pva溶于85g去离子水中，在60℃水浴温度下搅拌3h，转速为500rpm，制成均匀透明的聚合物溶液；

将上述聚合物溶液装入静电纺丝设备，调整静电参数，注射泵的流速固定在10μl/min，针和收集器之间的距离为15cm，施加的电压为15kv，收集器转速为300rpm，纺丝的温度为25℃，湿度为50％，在铝箔上收集致密的纤维网。

(2)碳纳米纤维制备

将由此形成的纤维以2℃/min的速率升温至250℃下，在空气中预氧化2h，然后以5℃/min的速率升温至600℃，在惰性气体氮气氛围下碳化2小时，得到纤维直径为300nm的纤维网。

对得到的碳纳米纤维进行电镜扫描，照片如图1所示。

(3)负载臭氧催化剂

将上述碳纳米纤维浸入到浓度为0.01mol/l的kmno4溶液中30min，然后用去离子水清洗掉表面附着物，在60℃下干燥6h，制得臭氧催化纳米纤维。

对得到的臭氧催化纳米纤维进行电镜扫描，其照片如图2所示。

由图1和图2可以看出，通过将碳纳米纤维浸泡kmno4溶液后，在碳纳米纤维表面生长出一些mnox的纳米颗粒，这些颗粒直径约在50nm左右，全部暴露于纤维的表面，增加了与污染物的接触机会，提升了催化性能。

对制备得到的复合纳米纤维进行性能测试。

一、臭氧催化性能：取样品大小为15cm×15cm，装入测试装置，调节空速150000h^-1，臭氧进气浓度为c0为10ppm。采用model202serial臭氧分析仪检测管路出口臭氧浓度c，检测出口稳定浓度，臭氧去除率按以下公式计算：

二、颗粒物过滤性能：

采用tsi8130型自动滤料测试仪测试复合纳米纤维膜的过滤性能，样品大小为15cm×15cm，发生粒子颗粒的质量中值直径为0.26um的nacl气溶胶，气流速度采用32l/min。

通过测试膜两端颗粒物浓度，得到颗粒物的过滤效率η

c1为出口气溶胶浓度，c2为进口气溶胶浓度。

测试结果：

空速为150000h^-1，进口浓度为10ppm时，样品臭氧催化分解效率在72％，pm0.3过滤性能为95.2％。

实施例2：

(1)纳米纤维制备

12g聚丙烯腈溶于88gn，n-二甲基甲酰胺dmf溶剂中，在40℃温度下搅拌3h，转速为500rpm，制成均匀透明的聚合物溶液；

将上述聚合物溶液装入静电纺丝设备，调整静电参数，注射泵的流速固定在15μl/min，针和收集器之间的距离为15cm，施加的电压为15kv，收集器转速为500rpm，纺丝的温度为25℃，湿度为50％，并在铝箔上收集致密的纤维网。

(2)碳纳米纤维制备

将由此形成的纤维以2℃/min速率在250℃下在空气中预氧化2h，然后以5℃/min的速率在惰性气体氮气氛围下1000℃碳化2小时，得到纤维直径在500nm的碳纳米纤维。

(3)臭氧催化复合纳米纤维制备

将上述碳纳米纤维浸入0.05mol/lkmno4溶液中30min，然后用去离子水清洗到浮物后，在80℃下干燥6h，制得臭氧催化纳米纤维。

(4)性能测试：空速为150000h^-1，进口浓度为10ppm时，样品臭氧催化分解效率在85％，pm0.3过滤性能为92％。

实施例3：

(1)纳米纤维制备

将10g聚乙烯吡咯烷酮溶于90g去离子水/乙醇溶剂(去离子水:乙醇的体积比为3:1)中，在40℃温度下搅拌12h，转速为500rpm，制成均匀透明的聚合物溶液；

将上述聚合物溶液装入静电纺丝设备，调整静电参数，注射泵的流速固定在200μl/min，针和收集器之间的距离为14cm，施加的电压为26kv，收集器转速为500rpm，纺丝的温度为25℃，湿度为50％，并在铝箔上收集致密的纤维网。

(2)碳纳米纤维制备

将由此形成的纤维以2℃/min速率升温至250℃下，在空气中预氧化3h，然后以8℃/min的速率升温至1200℃在惰性气体氩气氛围下碳化3小时，得到纤维直径在200nm的碳纳米纤维。

(3)臭氧催化复合纳米纤维制备

将上述碳纳米纤维浸入0.2mol/lkmno4溶液中10min，然后用去离子水清洗掉浮物后，在60℃下干燥6h，制得臭氧催化复合纳米纤维。

(4)性能测试：空速为150000h^-1，进口浓度为10ppm时，样品臭氧催化分解效率在90％，pm0.3过滤性能为97％。

实施例4：

(1)纳米纤维制备

将8g聚环氧乙烷peo溶于92g去离子水中，在60℃温度下搅拌6h，转速为500rpm，制成均匀透明的聚合物溶液；

将上述聚合物溶液装入静电纺丝设备，调整静电参数，注射泵的流速固定在300μl/min，针和收集器之间的距离为10cm，施加的电压为14kv，收集器转速为500rpm，纺丝的温度为25℃，湿度为50％，并在铝箔上收集致密的纤维网。

(2)碳纳米纤维制备

将由此形成的纤维以4℃/min的速率升温至280℃，在空气中预氧化3h，然后以5℃/min的速率升温至750℃，在惰性气体氩气氛围下碳化3小时，得到纤维直径在550nm碳纳米纤维。

(3)臭氧催化复合纳米纤维制备

将上述碳纳米纤维浸入浓度为0.02mol/l的kmno4溶液中60min，然后用去离子水清洗掉浮物后，在60℃下干燥6h，制得臭氧催化纳米纤维。

(4)性能测试：空速为150000h^-1，进口浓度为10ppm时，样品臭氧催化分解效率在79％，pm0.3过滤性能为90.5％。

实施例5：

(1)纳米纤维制备

将20g聚丙烯酸paa溶于80g去离子水中，在80℃温度下搅拌4h，转速为500rpm，制成均匀透明的聚合物溶液；

将上述聚合物溶液装入静电纺丝设备，调整静电参数，注射泵的流速固定在100μl/min，针和收集器之间的距离为20cm，施加的电压为18kv，收集器转速为500rpm，纺丝的温度为25℃，湿度为50％，并在铝箔上收集致密的纤维网。

(2)碳纳米纤维制备

将由此形成的纤维以4℃/min的速率升温至280℃，在空气中预氧化5h，然后以8℃/min的速率升温至650℃，在惰性气体氩气氛围下碳化5小时，得到纤维直径在400nm碳纳米纤维。

(3)臭氧催化复合纳米纤维制备

将上述碳纳米纤维浸入浓度为0.5mol/l的kmno4溶液中100min，然后用去离子水清洗清洗到浮物后，在60℃下干燥6h，制得臭氧催化复合纳米纤维。

(4)性能测试：空速为150000h^-1，进口浓度为10ppm时，样品臭氧催化分解效率在88％，pm0.3过滤性能为99.5％。