一种负载型一氧化碳过滤材料制备及用图
【技术领域】
[0001] 本发明涉及催化剂和过滤材料技术领域，具体涉及一种一氧化碳催化氧化的负载 型过滤材料的制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] CO是一种易燃、易爆的气体污染物。烃类的不完全燃烧排放气、矿井中的气体和家 用煤气灶的排放气等，均含有大量一氧化碳。当空气中CO含量为2. 0*l(T5m〇l / L时，两小 时之内人就会出现头晕和呕吐现象；当含量达到1. 2%时，会在l-3min内致人死亡。在一 般条件下，CO氧化脱除需要的温度高，能耗大，而且还会发生爆炸事故。因此，研究低（常） 温CO催化氧化对消除CO污染更具有实际意义。
[0003] 随着社会的发展和人们生活水平的提高，CO低（常）温氧化脱除技术的应用也越 来越广泛。在空气净化器、CO气体传感器、封闭式-循环C02激光器、CO防毒面具以及密 闭系统内CO的消除等方面都具有较高的实用价值。本发明人在2005年由美国化学会出版 的《微反应器技术和过程强化》（Yong Wang等主编）一书中报道了用以硅片为基材的微反 应器进行富氢气体中微量一氧化碳的优先选择性氧化。与国际学术界其他研究机构相比， 一氧化碳的去除效率较高。但是，微反应器的结构限制了它在空气净化领域的应用。
[0004] 基于纤维材料在制造大孔隙率的独特优势：孔隙率和三维网状结构的孔径易于 调控，美国专利（U. S.Patents5,304,330 ;5,080,963 ;5，1022,745 ;5,096,663 ;和 6,231， 792)发明了具有三维网状结构烧结纤维及其制造方法。本发明人在美国化学会2007年年 会上发表了用Ni微纤维包结负载型催化剂进行氨分解制备氢气，其分解率远高于其它科 研机构水平。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于不仅提供一种具有良好效果的一氧化碳氧化过滤材料，而且通 过工艺的改进,研制去除多种有害气体的过滤材料。
[0006] 本发明要解决的第一个技术问题是提供一种烧结微纤维结构化微米尺度颗粒的 多孔复合过滤材料。所述过滤材料是微纤维包结具有孔结构的负载型一氧化碳低温或常温 氧化催化剂，所述微纤维的直径为2-10 μ m，催化剂载体的直径为80-200 μ m。所述复合过 滤材料包括微纤维、微米尺度颗粒和纳米催化剂，微纤维是金属微纤维，微米尺度颗粒是功 能性颗粒，微纤维的结合点烧结在一起，形成三维网状结构，微米尺度颗粒被均匀地束缚于 三维网状结构内，该材料的空隙率为50-80%，微纤维占该材料总体积的3-15%。该材料 具有以下优点：（1)具有大纵横比的微纤维，使得不受微纤维直径影响、独立地创造大空隙 率材料并同时可随意裁剪和选择孔径；（2)三维网状结构可以高负载量地包结微米尺寸颗 粒，如催化剂、吸附剂等的颗粒；（3)所述的微纤维的三维网状结构具有良好的抗腐蚀性、 抗氧化性能；(4)制造工艺简便、费用低、且易于改进；（5)不同的微纤维、微米尺度颗粒和 纳米催化剂的组合可以根据用途而实现。
[0007] 本发明要解决的第二个技术问题是实现微米尺度颗粒的孔状结构，其特征在于， 纳米级的孔状结构，扩大对纳米催化剂的吸附表面积和吸附量，扩大反应物与催化剂的接 触面积，提高反应物与催化剂吸附、产物与催化剂解吸过程的传质与传热效率，提高反应效 率。
[0008] 本发明要解决的第三个技术问题是提供一种制造所述过滤材料的方法。本发明采 用以下技术方案使上述技术问题得到解决：（1)将选定比例的微米尺度颗粒前驱物、水、有 机溶剂、助溶剂混合得到溶液，通过水解、陈化、浓缩、烘干、煅烧、研磨等，得到微米尺度颗 粒；(2)将选定比例的微纤维、微米尺度颗粒、粘结剂分别加入到适量水中，搅拌成均匀的 浆液；（3)将得到的浆液在成型模具上过滤，形成前驱体；(4)将得到的前驱体干燥，特定温 度和气氛下使微纤维与微纤维的结合点烧结，得到微纤维结构化微米尺度颗粒物的多孔复 合材料；(6)在多孔复合材料中加入催化剂，经过煅烧、还原，得到微纤维结构化微米尺度 颗粒物的复合过滤材料。
[0009] 以下详细说明本发明的技术方案。
[0010] 一种烧结微纤维结构化微米尺度颗粒物的多孔复合过滤材料的制备方法，其特征 在于，包括以下操作步骤：
[0011] 第一步：依次将有机溶剂、助溶剂和微米尺度颗粒前驱物加入到水中，得到混合溶 液，微米尺度颗粒前驱物：水：有机溶剂：助溶剂的摩尔比为1 : 12 : 45 : 0. 26。通过 水解、陈化、浓缩、烘干、煅烧、研磨等，得到微米尺度颗粒；
[0012] 第二步：依次将粘结剂、微纤维和第一步得到的微米尺度颗粒加入到水中，搅拌成 均匀的浆液，粘结剂：微纤维：颗粒：水的重量比为1 : 1.5-3 : 8-10 : 500-1000,粘结 剂是直径和长度分别为10-100 μ m和l-5mm的非水溶性纤维素，微纤维是金属微纤维，微米 尺度颗粒是粒径为100-500 y m、具有大表面积孔状氧化物，如催化剂载体；
[0013] 第三步：将第二步制得的浆液加入水中，混和均匀后将水滤除，在过滤模具上形成 湿滤饼，粘结剂：水的重量比为1 : 5000-10000 ;
[0014] 第四步：将第三步制得的湿滤饼烘干，在400-1200°C的温度下于空气或H2中烧结 5-120分钟，制得产品，烧结微纤维结构化微米尺度颗粒的多孔复合材料；
[0015] 第五步：将催化剂的前驱物溶解在有机溶剂中，前驱物为钼的前驱物；
[0016] 第六步：将第四步得到的多孔复合材料浸渍在第五步得到的溶液中，取出后，经过 煅烧和还原，得到微纤维结构化负载型一氧化碳氧化过滤材料。
[0017] 有益效果：
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
[0019] (1)复合材料含呈三维网状结构的烧结微纤维。
[0020] (2)三维网状结构的网络孔径和空隙率可连续调控。
[0021] (3)复合材料具有大孔隙率、大面积体积比。
[0022] (4)三维网状结构能大负载量地载持微米尺度颗粒。
[0023] (5)微米尺度颗粒具有纳米级孔状结构。
[0024] (6)制造工艺简便、费用低、且易于改进。
【具体实施方式】
[0025] 下面通过具体的实施方案叙述本发明产品及其制备方法。除非特别说明，本发明 中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的， 而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人 员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行 的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。
[0026] 实施例1
[0027] 第一步：将二氧化硅前驱物加入到水/乙醇溶液，后续加入硝酸，然后将得到的溶 液在40°C下剧烈搅拌30分钟。微米尺度颗粒前驱物：水：有机溶剂：助溶剂的摩尔比为 1 : 12 : 45 : 0.26。通过水解、浓缩、陈化、烘干、煅烧、研磨等，得到微米尺度SiO2颗粒。 二氧化硅前驱物为四乙氧基硅烷（Si (OC2H5) 4)，有机溶剂为乙醇，助溶剂为硝酸。
[0028] 第二步：取Ig粘结剂加入到1000 g水中，搅拌均匀，然后将3g微纤维和9g第一步 得到的微米尺度颗粒依次加入上述液体，搅拌成均匀浆液，粘结剂：微纤维：微米尺度颗 粒：水的重量比为1 : 3 : 9 : 1000。粘结剂是直径和长度分别为IO-IOOum和I-IOmm的 非水溶性纤维素，微纤维是金属微纤维，微米尺度颗粒是第一步得到的、粒径为100-200um 的SiO2颗粒。
[0029] 第三步：将第二步制得的浆液加入到盛有5000g水的过滤容器中，混和均匀后将 水滤除，在过滤模具上形成湿滤饼，粘结剂：加入水的重量比为1 : 6000。
[0030] 第四步：将第三步制得的湿滤饼烘干，干滤饼在800°C的温度下于空气中烧结10 分钟，制得产品，烧结微纤维结构化微米尺度颗粒的多孔复合材料。产品的空隙率为80%， 微纤维占产品总体积的10%。
[0031] 第五步：将催化剂的前驱物溶解在有机溶剂中，前驱物为氯化钯，有机溶剂为乙 醇。
[0032] 第六步：将第四步的得到的多孔复合材料浸渍在第四步得到的溶液中，取出后，经 过煅烧和还原，得到微纤维结构化负载型、一氧化碳氧化过滤材料。该产品标记为A。
[0033] 实施例2
[0034] 除以下不同外，其余均同实施例1。
[0035] 第一步不存在。
[0036] 第二步中，微米尺度颗粒是来自阿法埃莎（天津）化学有限公司的粒径为 100-200um的SiO 2颗粒.。该产品标记B。
[0037] 实施例3
[0038] 除以下不同外，其余均同实施例1。
[0039] 第一步不存在。
[0040] 第二步中，微米尺度颗粒是来自西格玛奥德里奇中国分公司的的粒径为 150-250μπι的SiO2颗粒。该产品标记C。
[0041] 实施例4
[0042] A、B、C三种一氧化碳氧化过滤材料在管式反应器中进行一氧化碳催化测试。管式 反应器内径为12_。三种过滤材料均被裁剪成直径12_的圆形过滤膜，放置于管式反应器 中。反应器的温度由带热偶检测的温控器（0-400°C )控制，一氧化碳的流量由外接转子流 量计控制（100-500sCCm)。A、B、C三种滤材的测试结果列于表1中。结果表明，以四乙氧基 硅烷（Si (OC2H5)4)为前驱物自制的微米尺度SiO2颗粒负载的钯催化剂对一氧化碳的氧化优 于市场上现有的、较好的SiO2颗粒负载的同种钯催化剂。
[0043]表 1
【主权项】
1. 一种负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述过滤材料是微纤维包结具有孔结 构的负载型一氧化碳低温或常温氧化催化剂，所述微纤维的直径为2-10 y m，催化剂载体的 直径为80-200 u m。
2. 根据权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述催化剂是通过 浸渍法制备的。
3. 根据权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述催化剂占负载 型催化剂的重量百分比为1-10%。
4. 根据权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述负载型催化剂 被包结在金属纤维间的空隙中。
5. 根据权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述过滤材料的孔 隙率为50-80%。
6. 根据权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述微纤维为金属， 所述催化剂载体为具有纳米级孔结构的二氧化硅，所述催化剂为钯。
7. 根据权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料，其特征在于：所述过滤材料可以 裁剪为任意尺寸和形状，也可以直接打褶或直接多层叠加。
8. -种权利要求1所述的负载型一氧化碳过滤材料在个人防毒面具和密闭空间防护 领域的应用。
【专利摘要】本发明公开了一种负载型一氧化碳过滤材料制备及用途，该过滤材料是微纤维包结具有孔结构的负载型一氧化碳低(常)温氧化催化剂。所述微纤维的直径为2-10μm，催化剂载体的直径为80-200μm。该过滤材料的三维网状结构导致大孔隙率和良好的透气性，可用于个人防毒面具和局部密闭空间的一氧化碳防护。
【IPC分类】B01J35-10, B01J35-06, B01J20-28, B01D53-62, B01J23-42, B01D53-86, B01J20-02, B01J20-30, B01J23-44, B01J20-10
【公开号】CN104857928
【申请号】CN201410069136
【发明人】赵世怀, 赵晓明, 刘佳
【申请人】天津工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2014年2月26日