CN104826581B - 一种氨气处理多孔碳材料及其甲醛吸附应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氨气处理多孔碳材料及其甲醛吸附应用。该多孔碳材料的氨气处理方法包括：1)将多孔碳材料放入加热炉中；2)在加热炉中通入氨气作为保护气氛，氨气的流量为50‑1000mL/min；3)在1‑20℃/min的升温速率下升温至600‑900℃；4)恒温保持0.5‑10h；5)在氨气保护下冷却至室温；6)从加热炉中取出多孔碳材料，对其进行真空脱气。经过上述氨气处理后，多孔碳材料可以被填充在蜂窝式滤网的框架中或者粘附在滤网纤维上，用于实现空气中甲醛的清除功能。本发明使多孔碳材料对于甲醛的净化速率和总吸附容量均得到了增强，减少了甲醛脱附几率，有效降低了二次污染。

Description

一种氨气处理多孔碳材料及其甲醛吸附应用

技术领域

本发明属于空气净化、甲醛吸附技术领域，具体涉及一种氨气处理多孔碳材料及其甲醛吸附应用。

背景技术

长期接触超过安全浓度限制的甲醛气体对人体健康非常有害，这可能会引起眼睛和喉咙的灼烧感，呼吸困难甚至会引起致命的疾病，例如鼻癌，骨髓性白血病等。目前在中国甲醛污染仍然非常严重，近70％新装修的房子都受到甲醛污染的困扰，因此在中国最令人担心的室内污染气体就是甲醛。

活性炭作为最常用的净化甲醛的滤网材料，具有较大的吸附容量以及低廉的成本。但是，活性炭在净化空气时主要存在两个问题。第一，活性炭对于甲醛的吸附速率较慢，这使得单次过滤的净化效率并不理想。第二，当活性炭接近吸附饱和或是环境温度升高时，被吸附的甲醛又容易释放出来，造成二次污染。因此，有必要通过合适的化学修饰对活性炭的性能进行进一步的改善。

通常地，溶液方法被用来进行活性炭的化学修饰，例如CN 103769053 A中所公开的方法。但是，溶液方法一般需要较为复杂的多步反应。另外，溶液中所添加的化学物质可能会填充进活性炭的孔结构中，造成比表面积的减小。最后，这些通过溶液改性所引入的官能团也有可能脱落而造成二次污染。

专利CN201210381226.1提供了一种改性活性炭材料及其制备方法，该方案以活性炭作为原材料放入管式炉中，在氮气保护下升温至600-900℃，然后向其中引入氨气。活性炭与氨气反应10-120min形成改性活性炭。该改性活性炭材料在水中对高氯酸根离子具有较强的吸附能力，和活性炭相比改性活性炭材料对高氯酸根的吸附量提高了将近9倍。该材料机械强度高，循环寿命长，生产成本低，制备方法简单，并且可以再生重复利用。但是这种方法制备的改性活性炭材料主要用于水相中高氯酸盐污染物的处理，而对于空气中甲醛污染物的吸附率较低，不能满足甲醛吸附的实际应用需求。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种增强的多孔碳材料，以及其甲醛吸附性能的应用，该方案使用高温氨气处理的多孔碳材料作为甲醛吸收剂。

本发明提供的采用氨气处理的多孔碳材料，其氨气处理方法如图1所示，包括如下步骤：

1)将多孔碳材料放入加热炉中；

2)在加热炉中通入氨气作为保护气氛(氨气的流量为50-1000mL/min)；

3)在一定的升温速率(1-20℃/min)下升温至一定温度(600-900℃)；

4)恒温一定时间(0.5-10h)；

5)在氨气保护下冷却至室温；

6)从加热炉中取出多孔碳材料，对其进行真空脱气。

优选地，所述多孔碳材料包括活性炭、炭黑等。

优选地，所述多孔碳材料为活性炭，步骤3)升温至700℃。

优选地，所述多孔碳材料为炭黑，步骤3)升温至900℃。

经过上述氨气处理方法之后，多孔碳材料可以用作甲醛吸收剂，比如可以被填充在蜂窝式滤网的框架中或者粘附在滤网纤维上，用于实现空气中甲醛的清除功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.多孔碳材料对于甲醛的净化速率和总吸附容量均得到了增强；

2.与传统溶液方法相比，本发明的处理方法更加简单，成本更低；

3.多孔碳材料与甲醛的结合能力得到了增强，减少了甲醛脱附几率，有效降低了二次污染。在经过高温氨气处理之后，在多孔碳材料的表面产生氨基及其它的含氮官能团，这些官能团增加了吸附位点，能够增强对于甲醛的吸附性能。

附图说明

图1是本发明方法的总体流程图。

图2是实施例1中活性炭与700℃氨气处理活性炭甲醛静态吸附曲线对比图。

图3是实施例1中活性炭不同温度氨气处理甲醛静态吸附率对比图。

图4是实施例2中炭黑与900℃氨气处理炭黑甲醛静态吸附曲线对比图。

图5是实施例2中炭黑不同温度氨气处理甲醛静态吸附率对比图。

图6是实施例3中处理后的活性炭颗粒填充在蜂窝结构的滤网框架内的示意图。

图7为氨气保护和氮气保护处理的活性炭对于甲醛静态吸附率对比图。

图8为不同升温速率处理的活性炭对于甲醛静态吸附率对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

实施例1：

将100g商用活性炭置于管式炉中。以500毫升/分的流量通入氨气作为保护气氛。以10℃/分的升温速率升温至700℃，并恒温3小时。之后自然冷却至室温。从管式炉中取出样品置于真空室内进行真空脱气。图2是活性炭与700℃氨气处理活性炭甲醛静态吸附曲线对比图。从图2中可以看出，经过该处理过程之后，活性炭对于甲醛的静态吸附能力有了非常明显的提高。特别是在测试初始阶段，容器中残余甲醛的浓度下降非常明显。这说明改性后的活性炭对于甲醛的吸附速率得到了很大的改善。

图3是活性炭不同温度氨气处理甲醛静态吸附率对比图。从图3可以看出，在不同温度下处理的活性炭样品的甲醛静态吸附率有所区别。其中，700℃是最优的处理温度。甲醛静态吸附率从处理前的52％增加至78％。此外，700℃氨气处理之后，甲醛脱附温度从处理前的98℃提高至108℃，有效地降低了脱附几率，减小了二次污染的可能性。

实施例2：

将100g科琴黑(英文名KETJINBLACK，一种电极用炭黑材料)置于管式炉中。以500毫升/分的流量通入氨气作为保护气氛。以10℃/分的升温速率升温至900℃，并恒温3小时。之后自然冷却至室温。从管式炉中取出样品置于真空室内进行真空脱气。图4是本实施例中炭黑与900℃氨气处理炭黑甲醛静态吸附曲线对比图。从图4中可以看出，经过该处理过程之后，科琴黑对于甲醛的静态吸附能力有了非常明显的提高。

图5是炭黑不同温度氨气处理甲醛静态吸附率对比图。从图5可以看出，在不同温度下处理的科琴黑样品的甲醛静态吸附率有所区别。其中，900℃是最优的处理温度。甲醛静态吸附率从处理前的21％增加至72％。

实施例3：

将100g商用活性炭置于管式炉中。以1000毫升/分的流量通入氨气作为保护气氛。以1℃/分的升温速率升温至700℃，并恒温0.5小时。之后自然冷却至室温。从管式炉中取出样品置于真空室内进行真空脱气。

实施例4：

将100g商用活性炭置于管式炉中。以50毫升/分的流量通入氨气作为保护气氛。以20℃/分的升温速率升温至700℃，并恒温10小时。之后自然冷却至室温。从管式炉中取出样品置于真空室内进行真空脱气。

实施例5：

将商用的颗粒状活性炭作为原材料。在经过如实施例1中的处理方法之后，活性炭的颗粒形状可以得到保持。这样，处理之后的活性炭即可填充至空气滤网的框架结构中。对于蜂窝结构的空气滤网，处理后的活性炭可以填充至蜂窝孔道中，用于过滤净化空气中的甲醛，如图6所示。

实施例6：

将商用的粉末状活性炭作为原材料。在经过如实施例1中的处理方法之后，活性炭仍维持粉末形状。在滤网制作时，首先向无纺布、纸质或玻璃纤维等材质制成的滤网上喷涂粘合剂，然后将处理后的粉末状活性炭通过喷洒等方式与粘合剂结合。待粘合剂溶剂挥发或固化之后，处理后的粉末活性炭即粘附在滤网纤维上，用于净化空气中的甲醛。”

根据以上实施例可知，本发明中升温和降温处理过程都采用氨气保护，在升温和降温过程中都能够生成含氮官能团，有助于增加含氮官能团的含量，从而提高对于甲醛的吸附效果。而背景技术提到的专利CN201210381226.1中采用的是氮气保护，使得升温和降温过程中没有含氮官能团产生；并且在降温时，部分已生成的含氮官能团会分解脱去，降低了对于甲醛的吸附效果。图7为同一条件下，氨气保护和氮气保护处理的活性炭对于甲醛静态吸附率对比图，可以看出，氨气保护处理的活性炭对甲醛的吸附率有明显提升。

本发明采用的升温速率是理论和实验优化的结果，也与上述现有专利技术明显不同。本发明中，升温速率为1‐20℃/min，上述专利中为50℃/min。本发明的升温速率大大低于上述专利技术。升温速率较慢，一方面有利于多孔碳孔道结构的保持，维持较大的比表面积；另一方面，也有助于在升温过程中，在氨气保护下生成更多的含氮官能团。图8为同一条件下，不同升温速率处理的活性炭对于甲醛静态吸附率对比图，可以看出，采用低升温速率处理的活性炭对于甲醛吸附率有明显提升。

另外，与上述专利技术相比，本发明制备的多孔碳材料在应用环境、目标污染物、作用机理方面也不同。上述专利主要用于水相中高氯酸盐污染物的处理，去除高氯酸盐的机理是含氮官能团增加了活性炭在水中的碱性，使其正电性增加，从而增强对于高氯酸盐等阴离子的吸附。本发明可以有效处理空气中的甲醛污染物，含氮官能团对于甲醛的吸附机理有着很大的不同。本发明中含氮官能团与醛基化合物有着以下的亲核加成有机化学反应方式：

上述反应式说明，本发明制备的多孔碳材料中的含氮官能团能够有效吸附甲醛，使得多孔碳材料对于甲醛的净化速率和总吸附容量均得到了增强。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (8)

1.一种采用氨气处理多孔碳材料的方法，其在升温和降温过程中都能够生成含氮官能团，以提高对于甲醛的吸附效果，该方法的步骤包括：

1)将多孔碳材料放入加热炉中；

2)在加热炉中通入氨气作为保护气氛；

3)在1-20℃/min的升温速率下升温至600-900℃；

4)恒温保持0.5-10h；

5)在氨气保护下冷却至室温；

6)从加热炉中取出多孔碳材料，对其进行真空脱气。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述多孔碳材料为活性炭或炭黑。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中氨气的流量为50-1000mL/min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多孔碳材料为活性炭，步骤3)升温至700℃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多孔碳材料为炭黑，步骤3)升温至900℃。

6.权利要求1～5中任一项所述方法制备的使用高温氨气处理的多孔碳材料。

7.权利要求6所述多孔碳材料作为甲醛吸收剂的用途。

8.如权利要求7所述的用途，其特征在于：将所述多孔碳材料填充在蜂窝式滤网的框架中或者粘附在滤网纤维上，以吸附空气中的甲醛污染物。