一种建筑室内颗粒物及气体复合净化材料的制备方法与流程

本发明涉及环保材料领域，具体的说，是涉及一种建筑室内颗粒物及气体复合净化材料的制备方法，以及包括其对臭氧、pm2.5以及甲苯等多种污染物的去除性能评价。

背景技术：

近年来，全球大部分地区频频发生的“pm2.5”爆表和新闻媒体等爆出的“毒地板”、“劣质床垫”等室内外环境污染问题引起了社会的广泛关注。空气污染问题得到了相关部门和广大人民的重视，人们纷纷采取相应措施对空气污染物问题进行治理。

为了减少室内污染物对人体健康的危害，大型空气处理机组以及空气过滤器越来越多的出现在人们的生活中。随着多种污染物的出现，人们对空气净化的要求不仅仅局限于能够去除颗粒物，趋向于同时具有去除颗粒物和气态污染物的功能。为此需研究制备出一种同时去除建筑室内颗粒物和气体污染物的复合净化材料，用于室内污染物的去除。

基于以上考虑，有必要开发一种新型的气态污染物净化滤料，其应该具有小粒径的吸附材料，减小内扩散阻力，又能避免采用传统“三明治”形式的活性炭滤料的制作工艺既避免了胶粘带来的其他vocs类污染，且防止生产过程添加剂(胶粘)对滤料性能的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种建筑室内颗粒物及气体复合净化材料的制备方法，该方法主要利用传统的纤维滤料过滤颗粒物的方法，将气体净化材料采用“物理负载”的方式与颗粒物过滤材料相结合，降低有效净化颗粒粒径至纳米级以降低材料内部扩散阻力，提高效率的同时不以牺牲阻力为代价，且达到同时过滤pm2.5和气态污染物的目的，对于改善人们生活环境、保护身体健康，在今日之中国具有特别重要的意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种建筑室内颗粒物及气体复合净化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)筛选气体净化材料和颗粒物过滤材料及外观状态表征；

(2)通过负载纳米级活性炭实验系统对不同的颗粒物过滤材料进行预负载实验并进行不同颗粒物过滤材料的扫描电镜外观状态表征，对比选定目标颗粒物过滤材料；

(3)采用“物理负载”的方式将选定的气体净化材料与目标颗粒物过滤材料相结合并通过正、反面交替负载纳米级活性炭完成所述复合净化材料的制备，并使其达到最大活性炭负载量；

(4)在干净风道中对制备的复合净化材料进行吹扫去除其表面浮尘；

(5)对制备的复合净化材料进行污染物去除性能评价和实际应用评估。

步骤(1)中所述气体净化材料为纳米级煤质活性炭。

步骤(1)中所述颗粒物过滤材料包括玻璃纤维材料和化学纤维材料。

所述玻璃纤维为亚高效材料f9，所述化学纤维材料为中效过滤材料g4。

步骤(3)中以0.2～1.0m/s的风速交替进行纳米级活性炭的负载，最大活性炭负载量可达1400g/m²。

步骤(5)中污染物包括臭氧、甲苯及pm2.5。

步骤(4)中吹扫浮沉的风速至少为0.2m/s。

步骤(2)中所述负载纳米级活性炭实验系统采用吸尘器原理，包括风机、夹具、循环管道和测试孔，所述夹具设置在风机的入口端，所述循环管道为透明的pu钢丝波纹管，风机的进口和出口通过所属循环管道相连通。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明中使用到的气体净化材料为纳米级煤质活性炭，煤质活性炭比椰壳活性炭便宜，成本较低，椰壳活性炭价格较贵，含碳量纯度大，且含有丰富的孔隙结构，而所述煤质活性炭含碳量纯度小，只有很少的孔隙结构，性能较椰壳活性炭差，为提高所述煤质活性炭价值故而使用纳米级煤质活性炭粉末，因而本发明提高了成本较低、性能一般的煤质活性炭的使用价值，将所述纳米级煤质活性炭粉末采用“物理负载”的方式与颗粒物过滤材料相结合，不但降低了材料内部扩散阻力，避免了传统“三明治”形式使用胶粘导致其他vocs类污染，且防止生产过程添加剂(胶粘)对滤料性能的影响，达到同时过滤pm2.5和气态污染物的目的。

附图说明

图1是本发明涉及的气体净化材料纳米级煤质活性炭粉末扫描电镜拍摄图；

图2a是负载纳米级活性炭实验系统原理图；

图2b和图2c分别是具体实施例中使用的f9滤料和g4滤料负载活性炭后扫描电镜拍摄图；

图3a是对本发明材料作性能评价时所需纤维材料污染物性能测试去除实验系统的原理图；

图3b是不同负载活性炭量的g4滤料对臭氧去除性能评价图；

图3c是复合净化材料在0.1m/s时上、下游pm2.5情况；

图3d是0.1m/s的速度下复合净化材料+f9滤料对pm2.5的去除性能评价图；

图3e是复合净化材料在1.38ppm甲苯浓度下过滤效率随时间变化的曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施案例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

实施例一

制备一种建筑室内颗粒物及气体复合净化材料，首先进行气体净化材料和颗粒物过滤材料的初选，选择纳米级煤质活性炭粉末作为气体净化材料，其分布状态见图1，煤质活性炭比椰壳活性炭便宜，成本较低，椰壳活性炭价格较贵，含碳量纯度大，且含有丰富的孔隙结构，而煤质活性炭含碳量纯度小，只有很少的孔隙结构，性能较椰壳活性炭差，为提高所述煤质活性炭价值故而使用纳米级煤质活性炭粉末。选择亚高效玻璃纤维材料f9和中效化学纤维材料g4作为颗粒物过滤材料并使用仪器型号为日立s-4800的冷场发射扫描电镜进行外观状态表征，也即分布状态评价；

然后通过制作负载纳米级活性炭实验系统用于负载实验，负载纳米级活性炭实验系统见图2a，由于考虑到动力以及活性炭粉末的循环利用和扬尘问题，负载纳米级活性炭实验系统的开发采用吸尘器原理，在原装ebmpapst离心式r3g220-ac08-45风机入口端设置负载滤料的夹具，循环管道为透明可观测式pu钢丝波纹管，夹具为将风机的进口、出口连接起来的与循环管道管径相同的上、下两个法兰盘，其中循环管道与风机及法兰盘连接采用管箍固定。打开风机对不同纤维材料负载活性炭，本实施例对f9滤料和g4滤料进行活性炭负载，之后采用扫描电镜进行负载状态评价见图2b和图2c，根据预实验结果选定中效化学纤维材料g4作为颗粒物净化材料，在0.2～1.0m/s的风速下采用正、反面交替负载的方法进行最大活性炭负载量的复合净化材料的制备，吹扫浮尘(速度略大于0.2m/s)，接下来对制备完成的复合净化材料(g4+纳米级煤质活性炭粉末滤料)进行污染物去除性能的评价。

实施例二，结合图3a-图3e，对性能评价结果进行很好的展示：

已经制备好的g4+纳米级煤质活性炭粉末滤料，在附图3a纤维材料污染物性能测试去除实验系统中进行污染物去除性能评价并构建模型用于实际应用评估；，所述滤料取直径为3cm的圆形用于性能测试。其中纤维材料污染物性能测试去除实验系统包括空气预处理(干燥管和颗粒物与气态污染物过滤器)，气态流量控制装置(mfc，massflowcontroller)，臭氧发生器/甲苯发生器，温湿度控制系统和纤维滤料测试反应器及污染物监测系统。经过干燥和过滤的空气，经由两个mfc控制分别进入臭氧发生器/甲苯发生器与湿度控制系统，然后在混合瓶中均匀混合后送入反应器(反应器管径为3cm)，并由臭氧分析器/ppbrae/lighthouse3016检测上(或下)游浓度；

附图3b为本复合净化材料对臭氧去除性能的测试结果，7.5小时后单层负载活性炭量最小的(36mg)该制备材料，其去除效率为89％；单层负载活性炭量最较少的(173mg)该制备材料，其去除效率为92％；单层负载活性炭量最多的(421mg)该制备材料，去除效率为95％；双层负载活性炭量较多的(352mg)该制备材料，去除效率为99％。

附图3c为本复合净化材料在0.1m/s时上、下游pm2.5情况，该制备复合净化材料在0.1m/s的风速下部分负载的活性炭被带入风道中，成为颗粒物源，但是几分钟后各粒径档上、下游浓度相当即处于稳定阶段，二次吹灰问题即被解决。为解决初始二次吹灰问题，将g4滤料与高效或亚高效滤料再复合制备有效去除pm2.5的复合滤料，附图3d即为0.1m/s的速度下g4滤料与g4滤料+f9滤料对pm2.5的去除性能评价。对于制备的g4滤料+f9滤料的复合材料其下游浓度明显低于上游浓度，稳定时其不同粒径档(0.3μm，0.5μm，1.0μm)的去除效率分别为60％，66％，76％。若将亚高效玻璃纤维材料f9替换为高效过滤材料，其去除效率将有更大提高。

附图3e是制备好的复合净化材料在1.38ppm甲苯浓度下过滤效率随时间变化的曲线。以1.38ppm时滤芯过滤效率随时间变化的曲线为例求解不同浓度梯度下(1.38ppm，2.49ppm，4.60ppm，16.55ppm)的容污量以及活性炭的吸附能力。然后利用建立的吸附曲线模型以及wheeler-jonas方程模型进行该制备材料寿命评估。当该复合净化材料用于室内空气净化器净化处理时，预设滤芯效率达到40％时即要更换滤芯，此该复合净化材料滤芯的使用寿命约为6-9个月，与传统净化器滤芯相比寿命可观。

本实施例中提及的污染物的种类包括臭氧、甲苯以及pm2.5三种污染物，上述三种污染物的发生和测量所用仪器型号分别为：usa，uvp，97-0067-02和usa，2btechnologies，202；还涉及有蒸发式甲苯发生器和气体检测仪(ppbrae3000)，大气尘和尘埃粒子计数器(lighthouse3016)。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。