一种能清除颗粒物污染的离子化骨架聚合物及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于一种新型离子化骨架聚合物的制备及其在清除颗粒物质污染中的 应用。使用该离子化骨架聚合物可提供一种既方便快捷又效果极佳的去除空气中颗粒物质 的方法。
【背景技术】
[0002] 直径小于2. 5微米的颗粒物质称为PM2. 5,近年来随着汽车尾气、工业燃烧、家庭 或自然所带来的污染加剧，空气中PM2. 5的浓度迅速升高，对人体健康的危害越来越严重。 据一项新的研究称，每年世界范围内因为空气污染造成的过早死亡病例有近210万。通 过大量的研究发现，PM2. 5水平与肺癌发病率和死亡率呈正相关，PM2. 5可以进入血液，所 携带的东西会造成心脏的损害，研究显示PM2. 5每升高10 μ g/m3,肺癌的死亡率就会上升 17% -25%左右。世界卫生组织今年11月17日发表的一项研究结果还认为，雾霾与抽烟一 样，可以引起肺癌，还有可能引起膀胱癌。PM2. 5致人死亡不是单纯死于肺癌，而是心肺的整 体性损害。中美合作做了 20年的统计，调查烧煤区与不烧煤地区人群的寿命，以此来计算 雾霾对人的影响，结果显示，在烧煤的淮河以北，人的平均寿命比淮河以南人群寿命低5. 52 年。
[0003] 历史经验和实际状况表明，治理空气污染是个长期的过程，抵御空气污染，目前主 要依靠技术手段。对于如医院、芯片车间、手术室等大型建筑，建造室内空气过滤系统是目 前的解决方式，经过三重过滤技术，让室内外空气健康循环，实现99 %的净化，建立一道天 然屏障，彻底消除室内污染。对于居室内小范围的空气净化问题，目前利用小型空气净化器 来净化解决的，其所依赖的基本上都是过滤和吸附技术，过滤所用的介质基本上都是HEPA 折叠过滤膜，主要用于过滤空气中的PM2. 5以及尺寸更大的灰尘，吸附所用的材料基本上 都是活性炭，主要用于除去挥发性有机小分子。这种过滤技术存在两个缺点：一是过滤效果 与空气流量之间存在矛盾，即为了提高过滤效果，往往要增加过滤层的厚度，那么空气的流 通阻力增大，气流量就变小，为了在保证过滤效果的前提下增加气流量，就不得不增加风机 的功率，这样既浪费了能量，又增大了噪音。另一个缺点就是HEPA是一次性使用，一旦灰尘 积累过多，就只能更换新的，其使用成本较高。此外，过滤方法还存在潜在的技术瓶颈，清除 PM2. 5是它的过滤极限，它不能应付ΡΜ0. 1那样的极微小污染物，而实际上污染物的尺寸越 小，其带来的危害越大，这个问题应当引起足够的重视，今后对空气净化要求进一步提高的 话，那么单纯依靠过滤技术是不够的。
[0004] 现有的空气净化技术存在缺点，从根本上来讲是缺少一个最基本的要素水。 大自然本身具有强大的空气净化能力，但不是通过过滤的方式，而是依靠空气、水和土壤三 位一体、不断循环的净化方式，空气中的PM污染通过自然降水转移到土壤中，再由土壤将 污染物固定、消化。众所周知，每当雨水过后空气必然清洁，说明空气中的颗粒物质最容易 被水所清洗，这是一种最高效、最廉价的净化方式。受此启发，如果能够在技术上模拟一种 局部空间内的水与空气交汇的场景，那么空气中的污染物一定会转移到水中，再将水中的 污染物转移到土壤环境中。我们利用一种三维骨架结构的密胺树脂，通过对其进行表面的 离子化来增强其亲水性，发现其三维骨架可以夹带无数分割的小水滴，空气很容易在小水 滴之间以较小的阻力流通，经过实验证明，这种方式能有效清除空气中的颗粒物质，并且积 聚在骨架材料内的颗粒物质很容被水清洗，从而实现多次循环使用。这种空气净化的方案 有很多优点：装置结构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都友好，没有二次 污染。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的首要技术问题是针对空气过滤技术中存在的问题提供一种操 作方便、效果良好的湿法空气净化新方案，它依赖一种离子化的骨架聚合物材料，这种材料 很容易附着小水滴，又能使空气快速流通，实现水与空气的充分交汇，空气中的颗粒物质一 遇到水就会发生团聚、凝结，并转移到水滴中，因而可以达到净化空气的目的。沉积在材料 中的污染物很容易用水清洗，能够多次循环使用，这种空气净化的方案有很多优点：装置结 构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都友好，没有二次污染，非常适合在人 居环境中应用。
[0006] 本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述离子化骨架聚合物材料的制备路 线与方法，它切实可行，操作简便，易于批量生产。
[0007] 本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种上述离子化高分子骨架材料在空 气净化中的使用方法。
[0008] 1、本发明解决首要技术问题所采用的技术方案为：一种离子化的三维骨架聚合 物，其结构具有如图1所示的特征，骨架之间包含约IOOyrn的互相连通的孔道，这种孔道 对空气流通的阻力非常低，骨架本身的尺寸最小处为5 μ m左右，骨架之间往往通过共同点 连结，构成连续的三维网络结构。
[0009] 非常有益的是，上述的三维骨架聚合物表面带有大量的磺酸根负离子基团，因而 具有很强的亲水性，非常有利于在孔道中夹带小水滴，使小水滴在局部空间中密集的排列， 这样才能使其与流通的空气发生界面接触，使空气中的颗粒物质发生聚集、凝结，促使空气 的净化。
[0010] 2、本发明解决另一个技术问题所采用的技术方案为：一种上述高分子骨架材料的 离子化方法，操作与反应路线如下所示：
[0011]
[0012] 其特征步骤为：首先，将商品的壳聚糖溶于稀醋酸水溶液中（粘度大于400mpa的 配成1~2wt. %的浓度；粘度在200~400mpa范围的配成2~3wt. %的浓度）加入少量 阳离子表面活性剂（如十二烷基三甲基氯化铵，在溶液中的含量为0. 1~0. 2wt. % )，然 后，将市售的密胺海绵（三聚氰胺与甲醛交联反应制成的泡沫材料，现已商品化）浸泡在溶 液中，取出后用真空吸掉多余的溶液，保证其在静置下没有溶液流出，在烘箱中于60°C下干 燥2~3小时后，浸泡在pH = 9~10的碳酸钠溶液中，壳聚糖去质子化后形成不溶性的薄 膜覆盖在骨架表面，材料用清水洗涤后再浸泡于10~15wt. %的乙二醇二缩水甘油醚的乙 醇溶液中，并于常温下反应1~2小时，然后用95%乙醇洗涤1~2次，再在常温下浸泡于 10~15wt. %的亚硫酸氢钠水溶液中反应1~2小时，通过环氧基团与亚硫酸根的反应使 骨架材料的表面带上磺酸根负离子基团。
[0013] 上述的乙二醇二缩水甘油醚起到两个作用：一是与壳聚糖表面的氨基反应，引出 悬挂的环氧基团；二是与壳聚糖内部的氨基反应，使壳聚糖产生交联作用，有利于该包覆层 的稳定化。壳聚糖既有很强的亲水性，又有较好的机械强度，这样能保证涂层不会轻易脱 落。
[0014] 3、本发明解决再一个技术问题所采用的技术方案为：上述骨架聚合物在清除空气 中颗粒物质污染中的应用方法，其特征在于先使骨架聚合物充分吸水，然后置于一个通风 装置中，在流动空气的压差作用下，聚合物中的部分水被挤出，形成空气流动的通道（如图 2所示），达成平衡后小水滴就密集分