專利名稱：具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種低濃度有機廢氣或臭氣的凈化材料及其加工方法，主 要涉及所用的摻雜復(fù)合光催化材料、及附著有這種材料的載體。
技術(shù)背景隨著工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市人口的膨脹，惡臭氣體的污染問題日趨突出， 給人們的生活質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，并且會直接危害人體的健康。在城市臭 氣來源方面，市政污水的收集與處理過程是造成臭氣排放的主要原因，其中 污水泵站及污水處理廠的臭氣排放情況最為嚴(yán)重。另外，在城市生活垃圾、 糞便的收集、轉(zhuǎn)運等場所也會釋放大量的惡臭氣體，對周圍的環(huán)境質(zhì)量造成 嚴(yán)重破壞，同時也影響著現(xiàn)代都市的形象。隨著公眾對生活環(huán)境質(zhì)量意識的 提高，針對惡臭的污染問題的投訴和抱怨的事件在急劇增加，已成為及待解 決的環(huán)保問題之一。常規(guī)的惡臭氣體治理技術(shù)主要有吸附法、吸收法和生物分解法等。但是， 由于市政污水系統(tǒng)所釋放臭氣的特殊性，上述方法難以對其進行經(jīng)濟、有效 的處理，急需開發(fā)經(jīng)濟有效的治理新技術(shù)。近年來，以半導(dǎo)體金屬氧化物為催化劑的光催化氧化技術(shù)在廢氣凈化領(lǐng) 域中的應(yīng)用受到關(guān)注。該技術(shù)直接利用紫外光在常溫下來激活催化劑，使其表面生成自由電子(e—)和空穴(H+)對，將吸收的光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，即具有光 催化作用。在有空氣和水蒸汽存在時，催化劑表面上的自由電子或空穴分解 可以與所吸附的水或水蒸氣作用產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基(OH*)、原子態(tài)的 氧(0*)、臭氧(03)及過氧化氫(H202)等，這些物質(zhì)具有很強的氧化作用， 從而將廢氣中的異味物質(zhì)(如硫化氫、氨氣等)氧化分解，達到除臭效果。目前二氧化鈦(Ti02)是最有應(yīng)用價值的光催化劑，且在廢氣凈化領(lǐng)域 中已有應(yīng)用。然而，單純以二氧化鈦作為光催化劑時只能利用波長小于 387.5nm的紫外光，而對于波長較大的光則無法利用。由于自然光中波長小于 387. 5nm的光所占比例很小(<4%)，因此一般的光催化劑無法有效利用自然光。 而且，由于大部分的紫外光源所產(chǎn)生光的波長也是在一定范圍分布的，其中 波長大于387. 5nm的光也無法得到有效利用，很大程度上造成能量浪費。在 上述情況下，若能采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，使光催化劑能夠利用波長較寬的光 源，則可使所有光能的利用效率增加，甚至可以直接利用自然光。此外，由于泵站或其它工業(yè)廢氣氣體流量一般較高，在光催化凈化室內(nèi) 的停留時間非常有限(多在5秒以下)，而光催化反應(yīng)的速度相對較慢，有些 污染物還來不及與活性粒子反應(yīng)。因此，需要采取適當(dāng)?shù)姆椒?，來選擇性地 增加污染物分子在光催化區(qū)內(nèi)的停留時間。同時在光催化劑區(qū)內(nèi)也會產(chǎn)生少 量臭氧，如何充分臭氧并減少其流失也是光催化廢氣凈化技術(shù)的關(guān)鍵問題之國家知識產(chǎn)權(quán)局公開的申請?zhí)枮?00410029904.3，名稱為" 一種納米二 氧化鈦溶膠及其制備方法"的專利技術(shù)，它提供了一種具有光催化功能的納 米二氧化鈦溶膠及其制備方法。但其只能在紫外光下實現(xiàn)光催化作用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對光催化廢氣凈化技術(shù)所存在的問題，提出了以活性炭纖維為
光催化劑的載體，使其能在較寬光譜下實現(xiàn)光催化作用的具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是它為瀝青基或粘膠基，纖維為短纖維、織布或氈，纖維體的表面均勻附著有活性炭顆粒，在活性炭顆粒表面和顆粒間隙中均勻附著有納米級光催化劑?；钚蕴坷w維裝載在帶有支撐網(wǎng)或支撐條的支撐框內(nèi)形成光催化過濾層。本發(fā)明的加工方法，它包括如下步驟-1) 將鈦的有機化合物或無機化合物加入溶劑中攪拌，其中鈦的有機化合 物或無機化合物折算為二氧化鈦的重量占目標(biāo)溶液總量的2 30%;再把濃度為1-10%的硫酸按1:0. 5 2的體積比加入上述溶液，攪拌；之后調(diào)整混合液 的pH值至6 7,攪拌3 7分鐘，制得A溶液；2) 選取改性摻雜用金屬離子的可溶性硝酸鹽或有機鹽，將其折算為高價 態(tài)金屬氧化物計量，使用去離子水將其配制為濃度1-5%的溶液，制得B溶液;3) 將A、 B混合，使溶液中摻雜金屬氧化物與二氧化鈦重量之比為0. 01 0.2: 1;之后調(diào)整混合液pH值調(diào)到6.5 7.5，并攪拌，制得溶膠；4) 稱取一定量的活性炭纖維，將其置入廣口容器中，取一定體積的溶膠 對活性炭纖維進行浸泡，使溶膠中的含鈦、改性金屬離子的溶膠以及少量銨 鹽逐漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在3 7小時左右；5) 再將浸泡后的活性炭纖維撈出，瀝干水后置入烘箱內(nèi)，加溫至90"C 110°C，烘干；6) 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述千燥后的活性炭纖維在430°C 470('C的無氧的環(huán)境中灼燒3 4小時，使沉積在活性炭纖維表面上的粒子轉(zhuǎn) 化為納米級的摻雜光催化劑材料；7) 最后，將上述處理后的活性炭纖維，置入支撐框內(nèi)，制成厚度為10 30mm的纖維濾層。
所述的鈦的有機化合物為四異丙醇鈦酸酯、鈦酸丁酯，無機化合物為 硫酸鈦、四氯化鈦；其中的一種或一種以上。所述的改性金屬化合物為氯化鈀或鐵、鎢、釩、鐵、鎘、鋯的可溶性硝 酸鹽或有機鹽中的一種或一種以上。所述的溶劑為醇類溶劑。本發(fā)明基于光催化技術(shù)原理及吸附-反應(yīng)動力學(xué)理論，采用了適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)及處理方法對二氧化鈦催化劑進行改性，使處理后的催化劑具有更高的光催化反應(yīng)活性，并且能夠利用波長較大的紫外光，甚至是自然光。用于改性的物質(zhì)有鈀、鎢、釩、鐵、鎘、鋯等金屬氧化物以及銨鹽等。為了充分發(fā)揮光催化劑的作用，本發(fā)明采用高性能的活性碳纖維為載體。由于活性碳纖維具有多孔性好、比表面積大等特點，可使催化劑均勻、穩(wěn)定的分散在其表面。將載有改性光催化劑的活性炭纖維，以-定的形式置入光催化室中，在普通紫外燈的照射下即可工作。此外，本發(fā)明所采用的活性炭纖維材料除用作催化劑載體外，還兼具良好吸附作用，能將廢氣中未能及時被催化分解的物質(zhì)起"臨時"吸附作用，從而選擇性地延長了污染物分子在光催化區(qū)的停留時間，有利于污染物的充分去除。本發(fā)明的光催化凈化裝置具有凈化效率高、能耗低、能量利用率高、設(shè)備緊湊、凈化徹底及經(jīng)濟性好等特點，適合于大流量、低濃度廢氣或惡臭氣體凈化。


圖1是本發(fā)明在具體應(yīng)用中的工作原理示意中l(wèi)是氣體出口， 2是紫外燈管，3是燈架，4是活性炭纖維光催化劑 框，5是粗濾網(wǎng)，6是氣體進口， 7是除臭裝置外殼，8是氣體導(dǎo)流板； 圖2是圖1中A向視中9是邊框，IO是支撐條，ll是活性炭纖維層。
具體實施方式
實施例11) 取500mL濃度為90%的四異丙醇鈦酸酯，置入10L的大口容器中，并用 異丙醇(化學(xué)純90%)稀釋到5L。再緩慢加入10%鹽酸水溶液1L,并用電動 攪拌器在200rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌。之后，再用30%的氨水溶液將調(diào)解上述混 合液的pH值至6.5左右，并進行攪拌5分鐘，制成備用的溶膠A溶液。2) 取濃度為40%的草酸釩溶液50mL，用去離子水將其稀釋至500mL后， 緩慢加到盛裝溶膠A溶液的容器內(nèi)，并不斷攪拌。再用30%的氨水溶液將 混合PH值調(diào)到7左右，繼續(xù)快速攪拌制成C液。3) 稱取5份粘膠基活性炭纖維氈，每份為0. 8kg;將充分?jǐn)嚢韬蟮腃液均 勻地分為5份，分別置入廣口容器中。將5份活性炭纖維分別置入分裝后 的C液中進行浸泡，使溶液中的含鈦、改性金屬離子的溶膠以及少量銨鹽 逐漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在5小時左右。4) 將浸泡后的活性炭纖維撈出，瀝干水后置入烘箱內(nèi)，在IOO"C左右烘干; 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述干燥后的活性炭纖維在450"C左右的 無氧的環(huán)境中灼燒3-4小時，使沉積在活性炭纖維表面上的粒子轉(zhuǎn)化為納 米級的摻雜光催化劑材料。5) 再將上述處理后的活性炭纖維，分別置入五個如圖2所示支撐框內(nèi) (1200 1200)，制成厚度為20mm的纖維過濾層。5個過濾層與紫外燈光 (4組，每組8個燈管，單個功率40W)按圖1所示形式交替布置燈管與催化層的距離為250mm。本發(fā)明專利中所用的的紫外燈的光源波長為在 300-400nm的紫外燈，也可采用400-700nm的可見光源提高光催化凈化污 染氣體的效率。當(dāng)廢氣從凈化裝置的入口經(jīng)過過濾后(除去廢氣中的顆粒 物及霧滴等雜質(zhì))，進入并流經(jīng)光催化區(qū)時，其中的污染物在光催化的作用 下被直接分解或先吸附再分解，同時還可有效地殺滅廢氣中的細菌、病毒 等。被凈化后的氣體從出口排出。測試結(jié)果表明，當(dāng)廢氣流量為4000m7h、硫化氫濃度為10mg/W時，通過 上述光催化劑裝置，可使硫化氫的去除率可長期穩(wěn)定地達到95%以上，廢氣的 臭味基本被消除，完全滿足環(huán)保要求。然而，當(dāng)活性炭纖維不含光催化劑時， 硫化氫的去除效率僅為70%左右，且去除效率隨設(shè)備的運行時間的延長而逐步 下降。可見，本發(fā)明所使用改性光催化技術(shù)具有很好的廢氣凈化效果。 實施例21) 取1000mL濃度為40%的硫酸鈦溶液，置入5L的大口容器中，并用去離子 水稀釋到3L。開啟電動攪拌器,在200rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌。并用30%的氨水 溶液將調(diào)解上述混合液的pH值至6.5左右，并進行攪拌5分鐘，制成備用 的溶膠A溶液。2) 取濃度為20%的氯化鈀溶液20mL，用去離子水將其稀釋至100mL后，緩慢 加到盛裝溶膠A溶液的容器內(nèi)，并不斷攪拌。再用30%的氨水溶液將混合 pH值調(diào)到7左右，繼續(xù)快速攪拌制成C液。3) 稱取5份粘膠基活性炭纖維氈，每份為0. 8kg;將充分?jǐn)嚢韬蟮腃液均勻 地分為5份，分別置入廣口容器中。將5份活性炭纖維分別置入分裝后的 C液中進行浸泡，使溶液中的含鈦、改性金屬離子的溶膠以及少量銨鹽逐 漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在5小時左右。4) 將浸泡后的活性炭纖維撈出，瀝干水后置入烘箱內(nèi)，在100T左右烘千； 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述干燥后的活性炭纖維在450('C左右的 無氧的環(huán)境中灼燒3-4小時，使沉積在活性炭纖維表面上的粒子轉(zhuǎn)化為納米級的摻雜光催化劑材料。5) 再將上述處理后的活性炭纖維，分別置入5個如圖2所示支撐框內(nèi)(1200 1200)，制成厚度為20mm的纖維過濾層。5個過濾層與紫外燈關(guān)(4組，每 組8個燈管，單個功率40W)按圖1所示形式交替布置燈管與催化層的距 離為250mm。本發(fā)明專利中所用的的紫外燈的光源波長為在300-400nm的 紫外燈，也可采用400-700nm的可見光源提高光催化凈化污染氣體的效率。 當(dāng)廢氣從凈化裝置的入口經(jīng)過過濾后(除去廢氣中的顆粒物及霧滴等雜 質(zhì))，進入并流經(jīng)光催化區(qū)時，其中的污染物在光催化的作用下被直接分解 或先吸附再分解，同時還可有效地殺滅廢氣中的細菌、病毒等。被凈化后 的氣體從出口排出。 測試結(jié)果表明，當(dāng)廢氣流量為4000m7h、硫化氫濃度為10mg/m3時，通過上述光催化劑裝置，可使硫化氫的去除率可長期穩(wěn)定地達到90%以上，廢氣的臭味基本被消除，滿足環(huán)保要求。 實施例3A液的制備方法同實例1,但C液改為使用10%的硝酸鎢溶液100mL。采 用與實例1相同的辦法，將催化劑分散在5kg載有活性炭粉的聚氨酯纖維氈， 制備出所需的光催化材料。仍將上述處理后的載有催化劑及活性炭的纖維，裝入與實例1所描述的 相同的凈化裝置中進行測試。結(jié)果表明，當(dāng)廢氣流量為2000m7h、硫化氫濃 度為8mg/m3時，通過上述光催化劑裝置，可使硫化氫的去除率可長期穩(wěn)定地 達到85%以上，廢氣的臭味基本被消除。以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明在具體應(yīng)用中的工作原理。如圖1，在箱形除臭裝置外殼7的兩端分別設(shè)氣體進口 6和氣體出口 1 ， 在除臭裝置外殼7兩端的內(nèi)部分別設(shè)氣體導(dǎo)流板8;在氣體進口 6—側(cè)的箱 內(nèi)橫設(shè)一粗濾網(wǎng)5，然后逐個設(shè)置活性炭纖維光催化劑框4和燈架3;幻-架3 中裝設(shè)若干紫外燈管2。如圖2，活性炭纖維光催化劑框4由邊框9、支撐 條1 0和布設(shè)在其中的活性炭纖維層1 1構(gòu)成。 廢氣進入氣體進口6后，由氣體導(dǎo)流板8作用，在箱內(nèi)截面上形成均勻 氣流，通過粗濾網(wǎng)5后，廢氣中的顆粒物及霧滴等雜質(zhì)被吸附；粗過濾后的 氣體進入并流經(jīng)光催化區(qū)時，其中的污染物在光催化的作用下被直接分解或 先吸附再分解，同時還可有效地殺滅廢氣中的細菌、病毒等。被凈化后的氣 體從出口 l排出。
權(quán)利要求
1. 一種具有納米級光催化劑的活性碳纖維，為瀝青基或粘膠基，纖維為短纖維、織布或氈，纖維體的表面均勻附著有活性炭顆粒，其特征在于，在活性炭顆粒表面和顆粒間隙中均勻附著有納米級光催化劑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維，其特征在于，活性炭纖維裝載在帶有支撐網(wǎng)或支撐條的支撐框內(nèi)形成 光催化過濾層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的加工方法，其特征在于，它包括如f步驟1) 將鈦的有機化合物或無機化合物加入溶劑中攪拌，其中鈦的 有機化合物或無機化合物折算為二氧化鈦的重量占目標(biāo)溶液總量的2 30%;再把濃度為1-10%的硫酸按1:0. 5 2的體積比加入上述溶 液，攪拌；之后調(diào)整混合液的pH值至6 7，攪拌3 7分鐘，制得A 溶液；2) 選取改性摻雜用金屬離子的可溶性硝酸鹽或有機鹽，將其折 算為高價態(tài)金屬氧化物計量，使用去離子水將其配制為濃度1-5%的 溶液，制得B溶液；3) 將A、 B混合，使溶液中摻雜金屬氧化物與二氧化鈦重量之 比為0. 01-0. 2: 1 ;之后調(diào)整混合液pH值調(diào)到6. 5 7. 5，并攪拌， 制得溶膠；4) 稱取一定量的活性炭纖維，將其置入廣口容器中，取一定體 積的溶膠對活性炭纖維進行浸泡，使溶膠中的含鈦、改性金屬離子的 溶膠以及少量銨鹽逐漸沉積到碳纖維表面，浸泡時間控制在3 7小 時左右；5) 再將浸泡后的活性炭纖維撈出，瀝干水后置入烘箱內(nèi)，加溫 至90。C 110"C，烘干；6) 利用帶有氮氣保護的馬弗爐，將上述干燥后的活性炭纖維在 430°C 470。C的無氧的環(huán)境中灼燒3 4小時，使沉積在活性炭纖維 表面上的粒子轉(zhuǎn)化為納米級的摻雜光催化劑材料；7) 最后，將上述處理后的活性炭纖維，置入支撐框內(nèi)，制成厚 度為10 30mm的纖維濾層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的 加工方法，其特征在于，所述的鈦的有機化合物為四異丙醇鈦酸酯、 鈦酸丁酯，無機化合物為硫酸鈦、四氯化鈦；其中的一種或一種以 上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的 加工方法，其特征在于，所述的改性金屬化合物為氯化鈀或鐵、鎢、 釩、鐵、鎘、鋯的可溶性硝酸鹽或有機鹽中的一種或一種以上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有納米級光催化劑的活性碳纖維的 加工方法，其特征在于，所述的溶劑為醇類溶劑。
全文摘要
具有納米級光催化劑的活性碳纖維及其加工方法。本發(fā)明提出了一種低濃度有機廢氣或臭氣的凈化材料及其加工方法，主要涉及所用的摻雜復(fù)合光催化材料、及附著有這種材料的載體。它為瀝青基或粘膠基，纖維為短纖維、織布或氈，纖維體的表面均勻附著有活性炭顆粒，在活性炭顆粒表面和顆粒間隙中均勻附著有納米級光催化劑。本發(fā)明所采用的活性炭纖維材料除用作催化劑載體外，還兼具良好吸附作用，能將廢氣中未能及時被催化分解的物質(zhì)起“臨時”吸附作用，從而選擇性地延長了污染物分子在光催化區(qū)的停留時間，有利于污染物的充分去除。
文檔編號B01J21/06GK101209411SQ20061016164
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者晏乃強, 王長勇, 田鴻彬, 金曉月 申請人:田鴻彬