一种电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的制备方法与流程

本发明涉及具有空气净化功能的复合滤材的制备方法领域，尤其涉及一种电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的制备方法。

背景技术：

按照世界卫生组织who的标准，空气污染物是指在大气中存留时间较短的一些有害颗粒物，包括臭氧、黑碳、粉尘、甲烷、细菌微生物等。这些污染物，一般来说不太容易被察觉，但却是直接导致心血管及呼吸系统疾病的元凶，对人体健康危害极大。

传统的过滤材料一般只过滤粉尘，对有害气体不起作用，对微生物的去除性能有限，因而抗菌除臭材料的开发应用显得尤为重要。常见的抗菌除臭技术有：紫外线杀菌、活性炭吸附、光催化杀菌、金属离子杀菌等。上述各种方法均可达到一定的杀菌抑菌作用，但也有其相应的局限性，如应用不安全、性能单一、处理效果不佳等问题。因此对全面、安全及有效的抗菌过滤技术的开发研究，显得尤为迫切。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的制备方法，制得的电气石基负离子空气净化功能性复合滤材可同时释放有益于人体健康的负离子，并吸附降解处理空气中的有害污染物质，最终实现对空气污染物的协同净化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的制备方法，包括以下步骤：先将电气石与吸附性辅助剂a搅拌混合，得到混合粉体b，然后再将混合粉体b与分散剂c及粘合剂d混合配成均质溶液e，最后将均质溶液e喷涂于玻璃纤维基布或无纺布上，并将喷涂后的玻璃纤维基布或无纺布干燥即得到电气石基负离子空气净化功能性复合滤材；以上喷涂操作及干燥条件都于室温下进行。

所述电气石与吸附性辅助剂a的质量比为1:(1～3)。

所述吸附性辅助剂a为混合改性纳米多孔吸附材料，混合改性纳米多孔吸附材料的制备方法如下：首先将无机矿物吸附材料与纳米氧化铝按质量比1:(0.25～4)混合，然后将混合后的材料在400～500℃条件下煅烧4～6h，最后研磨并用100～200目筛网过筛即得到混合改性纳米多孔吸附材料。

所述无机矿物吸附材料选自沸石、碳质吸附剂、硅藻土、a型合成分子筛、x型合成分子筛中的至少一种，本发明优选沸石。

混合粉体b与分散剂c及粘合剂d的质量比为1:(0.25～4):(2～5)。

所述分散剂c的制备方法如下：将阴离子型表面活性剂与聚乙二醇溶剂按质量比1:(1～3)混合均匀即得到分散剂c；其中，聚乙二醇的平均分子量为200～600，所述阴离子型表面活性剂选自磺基琥珀酸钠二辛酯、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。

所述粘合剂d为聚乙烯醇溶液；所述粘合剂d的制备方法如下：将聚乙烯醇粉末与去离子水混合溶解，配制成质量百分比浓度为7％～10％的聚乙烯醇溶液；聚乙烯醇的平均分子量为180000～200000。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、电气石具有释放负离子的性能、起到净化空气的作用。空气负离子可以吸附并中和空气中的带电粒子，如废气、灰尘、病毒和细菌等有害物质，对于室内装饰材料挥发出的酮、甲醛、氨、苯系物等刺激性挥发气体也能起到明显的净化处理效果；另外空气中的负离子还具有较高的氧化还原活性，对葡萄球菌、沙门氏菌及霍乱弧菌等细菌微生物也有明显的抑制作用，因此本发明具有安全、全面、有效的抗菌过滤性能。

2、本发明同时添加无机矿物吸附材料及纳米氧化铝作为吸附性辅助剂a，活性炭、硅藻土及分子筛等无机矿物吸附材料具有高的比表面积和优秀的微孔结构，制备成本低廉且再生容易，其中，沸石作为常见分子筛材料，可以由天然或人工合成而得，天然沸石具有高效吸附性能，且来源丰富，易再生利用，对天然沸石改性后，可明显提升其吸附性能。

3、本发明在混合粉体b中添加分散剂c，有助于将混合粉体b充分均质混合，通过调配各种材料之间的比例关系，使得电气石基负离子空气净化功能性复合滤材具有最佳的功效；粘合剂d聚乙烯醇可将混合材料牢固地喷涂并粘附在玻璃纤维基布上面。

4、本发明选用电气石作为负离子释放源，并添加混合改性纳米多孔吸附材料，有效提高对空气污染物的处理效果，可同时实现对颗粒物的高效过滤，可抑菌除臭，有自清洁效果，可辅助施加电压加快水分子的电离，从而提高负离子材料释放负离子的能力，对空气净化效果具有显著增强作用，对pm2.5一次性过滤性能可达95％左右，且循环处理效果可稳定维持，对丙酮的处理效果可到90％以上。

5、本发明从原材料获得渠道、原材料成本、加工操作便利性等综合考虑，人力成本和产品成本较低，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备工艺的简易流程图；

图2为吸附性辅助剂a的sem图；

图3为均质溶液e的tem图；

图4为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的sem图；

图5为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的实物图；

图6为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的氮气等温吸附/脱附曲线图；

图7为分散剂d、聚乙二醇、磺基琥珀酸钠二辛酯的分散效率图；

图8为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材对pm2.5一次性过滤性能的降解效率图；

图9为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材对pm2.5循环过滤性能的降解效率图；

图10为不同滤材在丙酮不同初始浓度条件下的吸附处理效率图；

图11为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材在丙酮不同初始浓度条件下的吸附处理效率图；

图12为吸附性辅助剂a对污染物丙酮的贯穿及吸附饱和时间的效果图；

图13为不同风速条件下对电气石基负离子空气净化功能性复合滤材和未经任何处理的玻璃纤维基布压力损失的影响关系图；

图14为本发明单独处理丙酮或颗粒物及同时处理丙酮与颗粒物的穿透效率图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)将电气石与吸附性辅助剂a按质量比1:(1～3)于室温下充分搅拌混合，得到混合粉体b；

其中，吸附性辅助剂a为混合改性纳米多孔吸附材料，混合改性纳米多孔吸附材料的制备方法如下：首先将沸石与纳米氧化铝按质量比1:(0.25～4)混合，然后将混合后的材料在400～500℃条件下煅烧4～6h，最后研磨并用100～200目筛网过筛即得到混合改性纳米多孔吸附材料；

2)将步骤1)制得的混合粉体b与分散剂c及粘合剂d混合配成均质溶液e，其中，混合粉体b与分散剂c及粘合剂d的质量比为1:(0.25～4):(2～5)；

所述分散剂c的制备方法如下：将磺基琥珀酸钠二辛酯与聚乙二醇溶剂按质量比1:(1～3)混合均匀即得到分散剂c；其中，聚乙二醇的平均分子量为200～600；

所述粘合剂d为聚乙烯醇溶液；所述粘合剂d的制备方法如下：将聚乙烯醇粉末与去离子水混合溶解，配制成质量百分比浓度为7％～10％的聚乙烯醇溶液；聚乙烯醇为高粘度的聚乙烯醇，其平均分子量为180000～200000；

3)将步骤2)获得的均质溶液e喷涂于玻璃纤维基布或无纺布上，本实施例采用玻璃纤维基布，并将喷涂后的玻璃纤维基布自然干燥即得到电气石基负离子空气净化功能性复合滤材；本发明的喷涂操作及干燥条件都于室温环境下进行。

考察改性纳米沸石与纳米氧化铝不同比例制备的吸附性辅助剂a的性能，改性纳米沸石与纳米氧化铝的质量比分别为1:4、2:3、3:2和4:1，按照质量比分别命名为z1na4、z2na3、z3na2、z4na1；如图2所示，为改性纳米沸石与纳米氧化铝不同比例的吸附性辅助剂a的sem图，吸附性辅助剂a为z1na4时，材料表面极为粗糙不光滑，并且可观察得知深邃的孔洞轮廓。吸附性辅助剂a为z2na3时，材料表面也是相对粗糙，出现层层堆叠结构，孔洞轮廓依然深邃，并且随着吸附性辅助剂a中沸石含量的提高，材料表面的孔洞被填补，引起表面趋于平滑，孔洞深度变浅。

图3为均质溶液e的tem图，如图所示，孔洞排列的方向具有一致性，材料表面孔洞规则且呈有序，孔洞排列大致规则，孔洞大小约为2.5～3nm，为标准中孔洞材料，但仍能观察到部分的微孔洞存在，孔洞大小约为0.5nm左右，呈现出微孔材料特性，因此表明本发明复合喷涂材料具有复杂的多孔性结构，有利于对空气污染物的吸附去除。

图4为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的sem图，从图3中可以看出，明显的纤维状骨架为玻璃纤维载体，上面附着有颗粒物的存在，图片右下方的块状物体，为测试sem时，手动剥落的玻璃纤维碎片残渣。

图5为电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的实物图，从图5中可以看出，材料表面颗粒物附着均匀，在自然条件下干燥后，无颗粒脱落现象发生，且测试过程中及实验结束后，也都无颗粒物掉落现象，实验表明本发明喷涂物质的黏附性极好，无二次污染。

图6为不同吸附性辅助剂a制备的电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的氮气等温吸附/脱附曲线图，从图中可以看出，电气石基负离子空气净化功能性复合滤材呈现h3型吸附曲线，由盘状粒子或板状粒子相互连结的狭缝状孔洞所造成，孔洞大小为2.85～3.14nm之间，与sem及tem分析结果相似，且随着沸石比例的增加，表面积与孔洞大小及孔洞体积呈现先增加后减小的趋势。

考察各分散剂的分散效果：在室温环境下，将磺基琥珀酸钠二辛酯和聚乙二醇分别作为单组分的分散剂，并与本发明的分散剂c进行对比；具体地，将本发明的分散剂c和磺基琥珀酸钠二辛酯和聚乙二醇分别与混合粉体b混合搅拌后，静置一段时间，对比不同分散剂对混合粉体b的分散效果，从图7中可以看出分散剂c相比使用单组分的某种分散剂，分散效果明显增强，这是由于在分散剂c中，磺基琥珀酸钠二辛酯在改善表面张力的同时，磺基琥珀酸钠二辛酯分子的一端与水相中混合粉体b结合，磺基琥珀酸钠二辛酯分子的另一端与聚乙二醇结合，从而有效提高了溶液的分散度。

考察电气石基负离子空气净化功能性复合滤材对pm2.5进行50次独立的一次过滤性能，测试条件为：颗粒性污染物采用香烟烟雾，量测的粒径平均集中在0.3～0.6μm之间，同时在电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的两侧通以5kv电压(每次实验都以此条件进行)。如图8所示，50次独立实验对pm2.5的一次性过滤效果平均可达95％左右，且经过重复使用之后，处理效果仍可保持稳定。

考察电气石基负离子空气净化功能性复合滤材对pm2.5进行循环过滤的性能：相同实验条件下，将电气石基负离子空气净化功能性复合滤材重复循环利用50次，每次实验时间为2h。如图9所示，当初次使用时，实验开始10min后，处理效果就可以达到90％，当实验结束后，处理效率仍为90％左右；且经50次循环再利用相同材料后，处理效果仍可达87％左右，表明本发明制备的电气石基负离子空气净化功能性复合滤材稳定性极佳。

考察不同滤材在污染物丙酮不同初始浓度条件下的吸附处理效率：

对比例1：未经任何处理的玻璃纤维基布；

对比例2：未添加吸附性辅助剂a的玻璃纤维滤材，其制备方法除了在上述步骤1)中未添加吸附性辅助剂a外，其余制备步骤与本发明气石基负离子空气净化功能性复合滤材的制备方法相同；

将本发明电气石基负离子空气净化功能性复合滤材、对比例1和对比例2的滤材分别在丙酮初始浓度为10ppm时，考察各种滤材的吸附处理效果；从图10中可知，电气石基负离子空气净化功能性复合滤材对丙酮的处理效果要明显高于未经任何处理的玻璃纤维基布和未添加吸附性辅助剂a的玻璃纤维滤材；未添加吸附性辅助剂a的玻璃纤维滤材，其处理效率(27％)明显要比电气石基负离子空气净化功能性复合滤材处理效率(73％)低很多，表明附性辅助剂a的添加有利于促进对污染物的吸附处理。

考察电气石基负离子空气净化功能性复合滤材在污染物丙酮不同初始浓度条件下的吸附处理效率：如图11所示，电气石基负离子空气净化功能性复合滤材对丙酮的处理效果随着停留时间的增加大体上呈一个上升的趋势，而且对低浓度丙酮的处理效果更好，最终处理效率可达90％以上。

图12为改性纳米沸石与纳米氧化铝不同比例的吸附性辅助剂a对污染物丙酮的贯穿及吸附饱和时间的效果图，当z3na2、z2na3、z4na1、z1na4及未改性(仅为沸石)，贯穿时间依序为175、115、65、25以及10min，饱和时间依序为445、425、355、330及285min，因此改性辅助剂a为z3na2时可获得较长贯穿时间以及饱和时间，处理效果最佳。

考察不同风速条件下对电气石基负离子空气净化功能性复合滤材压力损失的影响，并将未经任何处理的玻璃纤维基布作为对比进行相同的实验：将电气石基负离子空气净化功能性复合滤材装接在过滤器内，将压差计连接在过滤器的进出口，并调整控制不同的风速，分别为0.5cms^-1、1cms^-1、2cms^-1、4cms^-1及8cms^-1，测试基重为1gm^-2的电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的压力损失。如图13所示，电气石基负离子空气净化功能性复合滤材相比未经任何处理的玻璃纤维基布，风阻并没有明显增加，并且风速越小，电气石基负离子空气净化功能性复合滤材的过滤效率越高，同时压力损失也相对越小。

图14为单独处理丙酮或颗粒物及同时处理丙酮与颗粒物的穿透效率图。如图14所示，以基重1gm^-2喷涂材料于停留时间5min下，风速为0.5cms^-1，同时通入丙酮与颗粒物，结果显示，对于处理丙酮及颗粒物的过滤性能，在处理丙酮的同时，对过滤颗粒物并没有明显影响，多次重复实验条件下，两者都有显著的去除效率。

本发明同时处理丙酮及颗粒物的可能反应机理如下：当只有污染物丙酮存在时，其混合空气与喷涂后复合滤材接触，可能发生多层吸附，足够的碰撞能量及次数下，促使污染气体转化为水气或二氧化碳等低碳小分子。而当同时通入颗粒物时，两者会发生一定程度的竞争吸附，竞争有限的吸附位点，导致处理效率轻微的下降，但此竞争吸附可能仅发生在材料表层，因而处理效率下降程度并不明显。