一种新型多功能空气净化材料及制备方法
【专利摘要】本发明针对现有多孔炭对气体污染物与重金属吸附容量不大的实际问题，提供一种能同时高效去除空气中微量二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法。该新型多胺基多孔炭复合材料以多孔炭、硝酸、三乙四胺等常见物质为原料，通过羧基化与分子共缩聚反应制得，具有孔道多、比表面积大、表面多胺基团含量丰富，对空气中氮氧化物、硫氧化物等酸性气体以及重金属铅均有较强的吸附能力。该空气净化材料可同时去除多种酸性气体和重金属铅，应用范围广，功效强，并具有制备工艺简单、易于实施等优势，可大批量规模化生产。
【专利说明】
一种新型多功能空气净化材料及制备方法
技术领域
[0001]本发明属于非金属材料科学技术分支，应用于气体吸附与分离领域，具体涉及一种能同时高效去除空气中微量氮氧化物、硫氧化物等酸性污染气体以及重金属铅的新型多功能空气净化材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]大气环境污染是人类面临的重要环境问题，大气质量的优劣，对整个生态和人类健康有着直接影响。根据世界卫生组织(WHO)对大气污染造成疾病负担的评价，每年有超过200万的过早死亡归因于城市室外和室内空气污染。我国大气污染物主要有颗粒污染物、氮硫氧化物以及重金属等。其中，以煤炭与石油燃烧释放出的氮氧化物、硫氧化物以及汽车尾气释放的重金属铅对我国人群健康影响较大。
[0003]活性炭等碳质多孔剂是空气净化中常用的吸附材料，但是普通活性炭以微孔为主，表面化学官能团含量少，极性小，对空气中氮氧化物、硫氧化物、重金属离子等极性污染物吸附容量小，选择性差。本发明通过以多孔炭与多胺分子为前驱体，通过硝酸氧化与缩水聚和等简单反应，将多胺分子接枝到多孔炭材料孔道与表面，增强了多孔炭材料表面的碱性，利于酸性气体的吸附，而且材料表面接枝的多胺基团，可以通过络合作用快速固定空气中的铅离子，从而制备出能同时高效去除空气中微量二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法
【发明内容】
[0004]本发明针对现有多孔炭对气体污染物与重金属吸附容量不大的实际问题，提供一种能同时高效去除空气中微量二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法。该新型多胺基多孔炭复合材料以多孔炭、硝酸、三乙四胺等常见物质为原料，通过羧基化与分子共缩聚反应制得，具有孔道多、t匕表面积大、表面多胺基团含量丰富，对空气中氮氧化物、硫氧化物等酸性气体以及重金属铅均有较强的吸附能力。该空气净化材料可同时去除多种酸性气体和重金属铅，应用范围广，功效强，并具有制备工艺简单、易于实施等优势，可大批量规模化生产。
[0005]本发明的目的可以通过以下措施达到:
[0006]一种利用多孔炭与多胺分子生产的新型多胺基炭质空气净化材料及其制备方法，包括如下步骤:
[0007]I)将多孔炭用10%的盐酸溶液在30?80°C搅拌2个小时以上，经过纯化后的多孔炭粉末加100?500ml的10?50%的硝酸搅拌I?10个小时，反应完毕后将产物洗涤至中性，过滤烘干得富含羧酸基的多孔炭。
[0008]2)称取5g上述羧基化生物质炭，将其分散到50?200ml多胺分子改性剂中，待搅拌均勻后，加入N, N' - 二环己基碳二亚胺，回流反应6?96小时。
[0009]3)将上述反应产物先用乙醇粗洗，再用乙醚清洗，然后在氮气保护或真空烘干即得到新型多胺基炭质空气净化材料。
[0010]上述步骤I)中，所述的多孔炭为介孔碳、生物质炭、活性炭或石墨稀的一种，优选中孔比例> 30%、中孔孔容> 0.3cm3/g的介孔生物质炭材料；
[0011]上述步骤2)中，所述的多胺分子改性剂是指三乙四胺。
[0012]上述方案的核心是多胺分子的选择、多孔炭介孔孔容的含量与羧基化以及缩水聚和反应条件的选择。硝酸氧化的目的是增加多孔炭材料羧酸基含量；较高的介孔孔容不仅能有效提高多孔炭羧酸基团含量，并能为羧酸基和多胺改性分子缩水聚积反应提供有效空间。
[0013]本发明的优良效果如下:
[0014]I)本发明以来源广泛的生物质炭、活性炭或介孔碳为原材，经纯化预处理、硝酸氧化以及缩水聚和等简单反应，即可将多胺分子接枝到多孔炭上，合成工艺简单，投资小，经济环保，易于实施，生产符合循环经济发展需要，可规模化大批量生产。
[0015]2)本发明制备的胺化炭质多孔空气净化材料，比表面积大、富含多胺基团，对气体中的硫氧化物、氮氧化物等酸性气体与重金属铅均有较强的亲和作用，可用于去除空气中的低浓度酸性气体和重金属铅，应用范围广，有广阔的应用前景。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
[0017]实例I
[0018]将5.0g介孔碳(BET比表面870m2/g，中孔孔容为0.313ml/g)用质量分数为10%的HCl溶液在60°C搅拌纯化5个小时，烘干后加600ml的32.5%的硝酸搅拌5个小时，随后加10ml的三乙四胺，搅拌加热均匀后，加入5克N，N' -二环己基碳二亚胺，回流反应48小时。将产物洗涤干净，烘干后得新型多功能空气净化材料。
[0019]新型多功能空气净化材料的红外光谱图如图1所示。从图1可以看出，制备的胺化改性生物质炭含有更加明显的氮基基团，表明改性后三乙四胺被成功地引到了介孔炭样品上；B0ehm滴定法对其表面基团含量进行测定，结果显示其碱性基团含量由修饰前的
0.035mmoI /g 增加到 2.69mmol/g。
[0020]上述材料在吸附测试中对二氧化硫、二氧化氮与重金属铅离子的表现了出色的吸附性能。在湿度为30%，烟气流量为200L/h，二氧化硫与二氧化氮浓度分别为30ppm和15ppm时，上述材料对中SO2和NO2的平衡吸附容量分别为87mg/g和69mg/g。在静态吸附实验中，溶液pH为5时，上述材料对50mg/L的铅(II)的平衡吸附量为156mg/g。
[0021]实例2:
[0022]将1g蔗渣基生物质炭(BET比表面987m2/g，中孔孔容0.371cm3/g)，用质量分数为10%的HCl溶液在60°C下搅拌纯化5个小时，而后加500ml的32.5%的硝酸搅拌5个小时，称取上述硝酸氧化后的炭粉5g，加10ml三乙四胺，搅拌加热均匀后，加入5克N，N' -二环己基碳二亚胺，回流反应48小时。将产物洗涤干净，烘干后得新型多功能空气净化材料。
[0023]上述材料在吸附测试中对二氧化硫、二氧化氮与重金属铅离子的表现了出色的吸附性能。在湿度为30%，烟气流量为200L/h，二氧化硫与二氧化氮浓度分别为30ppm和15ppm时，上述材料对中SO2和NO2的平衡吸附容量分别为97mg/g和79mg/g。在静态吸附实验中，溶液pH为5时，上述材料对50mg/L的铅(II)的平衡吸附量为133mg/g。
[0024]实例3:
[0025]将1g活性炭粉(BET比表面937m2/g，中孔孔容为0.26ml/g)末用10% HCl溶液在60°C搅拌5个小时，经过纯化的生物炭粉末再加300ml的32.5%的硝酸搅拌5个小时，洗至中性烘干。称取上述粉末5g，加10ml的三乙四胺，搅拌加热后，加入N，N' - 二环己基碳二亚胺，回流反应36小时。将产物洗净烘干，得新型多功能空气净化材料。
[0026]上述材料对二氧化氮、二氧化硫与重金属铅离子表现了良好的吸附性能。在湿度为35%，烟气流量为200L/h，二氧化硫与二氧化氮浓度分别为30ppm和15ppm时，上述材料对中SO2和NO2的平衡吸附容量分别为75mg/g和63mg/g。在静态吸附实验中，溶液pH为5时，上述材料对100mg/L的铅(II)的平衡吸附量为121mg/g。
[0027]实例4
[0028]将5g石墨稀用质量分数为5%的HCl溶液在50°C搅拌纯化3个小时，烘干后加500ml的32.5%的硝酸搅拌5个小时，随后加10ml的三乙四胺，搅拌加热均匀后，加入5克N，N' - 二环己基碳二亚胺，回流反应48小时。将产物洗涤干净，烘干后得新型多功能空气净化材料。
[0029]上述材料对二氧化氮、二氧化硫与重金属铅离子表现了良好的吸附性能。在湿度为35%，烟气流量为200L/h，二氧化硫与二氧化氮浓度分别为30ppm和15ppm时，上述材料对中SO2和NO2的平衡吸附容量分别为93mg/g和71mg/g。在静态吸附实验中，溶液pH为5时，上述材料对100mg/L的铅(II)的平衡吸附量为106mg/g。
[0030]实例5
[0031]将5g生物质炭(BET比表面937m2/g，中孔孔容为0.26ml/g)用质量分数为5%的HCl溶液在60°C搅拌纯化3个小时，烘干后加10ml的32.5%的硝酸搅拌5个小时，随后加10ml的三乙四胺，搅拌加热均匀后，加入5克N，N' -二环己基碳二亚胺，回流反应24小时。将产物洗涤干净，烘干后得新型多功能空气净化材料。
[0032]上述材料对二氧化氮、二氧化硫与重金属铅离子表现了良好的吸附性能。在湿度为35%，烟气流量为200L/h，二氧化硫与二氧化氮浓度分别为30ppm和15ppm时，上述材料对中SO2和NO2的平衡吸附容量分别为81mg/g和69mg/g。在静态吸附实验中，溶液pH为5时，上述材料对100mg/L的铅(II)的平衡吸附量为129mg/g。
【主权项】
1.一种能同时高效去除空气中微量氮氧化物、硫氧化物等酸性污染气体以及重金属铅的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征是以多孔炭为原料，以盐酸、硝酸、三乙四胺为改性剂，通过炭化、羧基化与分子共缩聚等步骤制备一种能高效吸附空气中二氧化氮、二氧化硫等酸性气体以及重金属铅(II)的多胺改性炭质多功能空气净化材料。2.根据权利要求1所述一种能同时高效去除空气中微量二氧化氮、二氧化硫等酸性气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征在于该方法包括多孔炭纯化、羧基化、胺化、清洗、烘干，具体步骤如下: A)、将多孔炭用一定浓度的盐酸溶液，在30?80°C下搅拌纯化2个小时以上； B)、在纯化后的多孔炭中加入一定浓度的硝酸溶液，加热搅拌，待反应完毕后将产物洗涤至中性，过滤烘干； C)、称取一定量经过步骤B)硝酸氧化后的多孔炭粉末，分散到一定量乙二胺溶液中，待搅拌均匀后，加入N，N' - 二环己基碳二亚胺，回流反应一段时间； D)、将上述反应产物先用乙醇粗洗，再用乙醚清洗，在一定温度下烘干至恒重。3.根据权利要求2所述一种能同时高效去除空气中微量二氧化氮、二氧化硫、三氧化硫等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征在于A)中所述的多孔炭为生物质炭、活性炭、石墨稀或介孔碳。4.根据权利要求2所述一种能同时高效去除空气中微量二氧化氮、二氧化硫等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征在于B)中所述硝酸浓度为10?50%。5.根据权利要求2所述一种能同时高效去除空气中微量二氧化氮、二氧化硫等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征在于C)所述羧基化多孔炭与三乙四胺的比例为1: (10?50)。6.根据权利要求2所述一种能同时高效去除空气中微量二氧化氮、二氧化硫、三氧化硫等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征在于E)中所述回流反应时间为6?96h，优选48h。7.根据权利要求2所述一种能同时高效去除空气中微量二氧化氮、二氧化硫、三氧化硫等酸性污染气体以及重金属铅(II)的新型多功能空气净化材料及其制备方法，其特征在于E)中N，K - 二环己基碳二亚胺与生物质炭的质量比为0.5-2。
【文档编号】B01D53/02GK105879839SQ201410611998
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年10月30日
【发明人】李坤权, 王效华, 杨美蓉, 王春月, 朱志强
【申请人】南京农业大学