一种能清除空气中甲醛的高分子吸附材料及其制备方法与流程

本发明是关于一种高分子吸附材料的制备及在消除空气中甲醛污染方面的应用。使用该高分子吸附材料可提供一种既方便快捷又效果极佳的除去空气中甲醛污染的新方法。

背景技术

甲醛是挥发性有机污染物中的代表性化合物，长期接触可引起皮肤癌等各种疾病，一直是治理室内环境污染中着重关注的问题，如何除去室内环境中的甲醛污染已经成为一个必须克服的技术难题。目前来说，解决问题的基本方法有两类：一个是活性炭吸附法，另一个是催化降解法。前一种方法相对简单，但是效果非常有限，因为活性炭的吸附能力要受到甲醛分子传质速率的限制，甲醛分子一般只能吸附在活性炭颗粒的表面，很难迅速进入活性炭内部的微孔中，活性炭的利用效率大大降低，另外活性炭还存在吸附饱和问题，不能长期使用。催化降解法又分为光催化和电激发催化，是目前发展的一种趋势，但是面临的问题仍然不少。以tio2作为光催化剂的有机物降解技术为例，虽然其反应条件温和、能耗低、无选择性等优点曾一度在空气净化领域受到重点关注，但是在实际应用上的深入研究表明，光催化必须满足的条件是紫外光、催化剂以及载体这三个要素的协同工作，其所要解决的问题甚至比光催化剂本身的研究还要复杂，技术壁垒远远超过了一项单纯应用性技术所能承受的高度，故发展前景不容乐观。

为了能快速有效的将有机分子降解，现在又出现了一种新的手段，通过电激发产生高氧化活性的(如羟基自由基、过氧自由基)所谓的净离子来快速氧化甲醛分子，单从降解这个角度来说，确实效率能够提高，但是新的问题又会产生，这些高反应活性的东西本身就会对人体造成伤害，人体在氧化性空气氛围中所造成的危害未必比甲醛本身来的小。另一方面，有机分子的降解并非一步而成，而是会产生各种中间的分子碎片，这些东西对人体的潜在危害现在完全不得而知，人们往往只强调甲醛的去除，而不考虑因此而带来的副作用，从以上分析可知，降解法绝不是尽善尽美，不但费用高，而且风险大，所以应该尽量避免。

本发明采用一种较为温和且安全的方式来净化甲醛污染，我们利用一种三维连通的大孔结构的吸附材料，通过对其进行表面的亲水性化处理，使其吸水性明显提高，经过实验证明，通过吸附方式能有效清除空气中的甲醛。这种方法无需特殊的设备，能耗低，快捷方便，效果显著，且不会对环境和人造成任何不良影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题是针对空气中甲醛污染提供一种安全、方便、效果良好的吸附法甲醛净化方案，它依赖一种亲水化的高分子吸附材料，这种材料同时具有1～50μm的大孔以及平均孔径为20nm的介孔(根据图2所示的测量结果)，其比表面积达到230m²/g，孔隙率在90％以上，表观密度在0.1g/ml以下，它既有很强的吸附能力，又有高的吸附速率和吸附容量，因而可以达到净化空气的目的。这种清除甲醛污染的方案有很多优点：装置结构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都无任何危害。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述高分子吸附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。

本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种上述高分子吸附材料在清除空气中甲醛污染的具体应用方法。

1、本发明解决首要技术问题所采用的技术方案为：一种能够清除甲醛的高分子吸附材料，其结构具有如图1所示的特征，这种材料同时具有1～50μm的大孔以及平均孔径为20nm的介孔，并且其比表面积达到230m²/g，孔隙率在90％以上，表观密度在0.1g/ml以下，它既有很强的吸附能力，又有高的吸附速率和吸附容量，因而可以达到净化空气的目的。

非常有益的是，上述的聚合物吸附材料具有很强的亲水性，非常有利于通过水洗的方式清除已经吸附的甲醛，使其再生以利于多次重复使用，降低使用成本。

2、本发明解决另一个技术问题所采用的技术方案为：一种上述高分子吸附材料制备方法，其特征步骤为：1)三羟甲基丙烷加热融化至能流动液体，加入环氧树脂(牌号e-51)快速搅拌得到白色分散液，三羟甲基丙烷与环氧树脂的质量比在20/1～30/1范围，迅速加入二乙烯三胺，环氧树脂与二乙烯三胺的质量比在8/1～6/1范围；2)用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，最后得到粘稠的半固体，迅速倒入模具中，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却2～3小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体；3)将固体在45℃下固化12～15小时，固体产物放入水中浸泡，彻底洗去三羟甲基丙烷，然后放入真空烘箱中常温下干燥，得到白色的稳定的聚合物多孔材料；4)将聚合物材料放入硫酸二乙酯的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在2wt.％～4wt.％范围，40℃下浸泡反应2～3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。

非常有益的是，三羟甲基丙烷对环氧树脂既有一定的亲和性，但又不能将环氧树脂完全溶解，这种状态非常有利于连续结晶，形成从微米尺度到纳米尺度的结晶，从而制造出孔径分布极宽的多孔结构；

非常有益的是，环氧树脂是在低于三羟甲基丙烷熔点的温度下，也就是固体状态下发生固化反应，这样就能完全避免相分离对产物形貌造成的影响，保证了产物内部形貌的连续性以及宏观上的机械强度；

非常有益的是，在分散液中环氧树脂的浓度可以非常低，因而所得到的多孔材料其表观密度也非常低，孔隙率很大，其内部的三维孔道完全贯通。

3、本发明解决再一个技术问题所采用的技术方案为：上述高分子吸附材料在清除空气中甲醛污染的应用方法，其特征在于先将聚合物吸附材料切割成1×1×1mm颗粒状，然后填充在一个如图3所示的通风装置中，装置被封闭在一个总体积为2m³空间中，填充厚度可根据阻力以及风机的功率大小决定，在风机的推动力作用下，污染空气流通在颗粒堆积的缝隙中，在此过程中甲醛分子被高分子材料俘获并吸附，通过测量单位时间净化前后空气中甲醛的浓度指数来评价其对空气的净化效果。

非常有益的是，上述处理方法操作简单，材料可以重复使用，运行成本合理，效果理想，不会造成二次污染。

本发明的优点在于：通过对吸附材料的结构改进，在保证吸附能力的基础上进一步改善吸附的速率和吸附容量，同时使吸附材料能够回收多次重复利用，降低使用成本，提高安全性，避免二次污染。

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。

材料制备：

实施例1

60.0g三羟甲基丙烷加热融化至透明能流动液体，加入3.0g环氧树脂e-51搅拌分散，加入0.44g二乙烯三胺，用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，得到粘稠的半固体，其中含有大量微小晶体，倒入塑料模具，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却结晶3小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体，在45℃下固化12小时，水中反复浸泡至三羟甲基丙烷彻底去除后，真空中常温干燥，得到白色泡沫状材料，将聚合物材料放入硫酸二乙酯的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在4wt.％，40℃下浸泡反应2小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。

实施例2

90.0g三羟甲基丙烷加热融化至透明能流动液体，加入3.0g环氧树脂e-51搅拌分散，再加入0.50g二乙烯三胺，不断搅拌得到良好的分散液，用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，得到粘稠的半固体，其中含有大量微小晶体，倒入塑料模具，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却结晶4小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体，在45℃下固化14小时，在水中反复浸泡至三羟甲基丙烷彻底去除后，真空中常温干燥，得到白色泡沫材料，将聚合物材料放入硫酸二乙酯的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在2wt.％，40℃下浸泡反应3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。

净化测试方式：

在一个2立方米的封闭空间中构建一个空气循环装置，用送风机将空气通过管道穿过不同厚度的高分子吸附材料填充柱，以填充柱的截面积计算空气流量，用英国ppm400st便携式检测仪测定不同净化时间后空气中甲醛的浓度，甲醛的起始浓度为1.8mg/m³，经过5分钟的净化操作后测试甲醛的浓度，观察材料厚度及空气流量对净化效果的影响。

表1列出了不同填充厚度与不同空气流量下的净化结果数据，从数据可以看出，高分子吸附材料对甲醛的净化作用，增加吸附材料的填充厚度会强化净化作用，但空气的流通阻力也会随之增加。空气流量的增加有利于甲醛的吸收，这主要是由于空气循环速率的加快有利于甲醛多次循环吸附，从以上两个表格的数据来看，甲醛的去除率在好的情况下可以达到95％以上。

将使用过的吸附材料用清水浸泡，干燥后再重复使用，所得到的净化效果基本与前者一致，说明该材料完全可以多次重复使用。

表1不同填充厚度与空气流量下的净化效果^*

甲醛起始浓度为1.8mg/m³

附图说明

图1吸附材料在不同放大倍数下的扫描电镜图像，左边的图可以看到大孔部分的形貌，右边的图可以看到孔壁内部的小孔形貌。

图2吸附-脱附法测定介孔材料的孔径分布数据。

图3空气净化装置示意图。