本發(fā)明涉及纖維濾材，尤其是涉及一種可同時處理揮發(fā)性有機物與顆粒物的復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材及其制備方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今流行病學(xué)的研究已指出空氣污染與呼吸、心血管疾病和肺癌等慢性病的正相關(guān)，納米顆粒物能夠直接進入肺泡并被巨噬細胞吞噬，可以永遠停留在肺泡里，不是單純對呼吸系統(tǒng)，而且對心血管及對神經(jīng)系統(tǒng)等都會有影響。若顆粒通過支氣管和肺泡進入血液，其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對人體健康的傷害更大。而揮發(fā)性有機物(VOCs)對于健康危害效應(yīng)方面，易導(dǎo)致輕微中樞神經(jīng)受損，高濃度蒸汽可能引起頭痛、惡心、頭暈、嗜睡、動作不協(xié)調(diào)和精神混淆及刺激眼睛等。

VOCs的處理技術(shù)有吸收法、活性碳吸附法、冷凝法、熱焚化法、生物處理法和光催化氧化法等，這些方法存在一些問題，如低去除效率和高成本的缺點，其中光催化法具有節(jié)能、無毒、制備容易、價格低廉及設(shè)備空間小等優(yōu)點而備受矚目。而常見顆粒物之分離技術(shù)如靜電集塵法、旋風(fēng)集塵法、濕式洗滌法及過濾法等，過濾法具有價格低廉、設(shè)備空間小等優(yōu)點，是去除空氣中顆粒物最常采用的方法之一，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括呼吸防護、廢水凈化及潔凈室等。由于纖維過濾器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，為最常使用的空氣凈化方法。一般纖維過濾器使用纖維濾材進行顆粒物處理，纖維濾材可分為傳統(tǒng)的纖維濾材與納米纖維。傳統(tǒng)纖維濾材(例如玻璃纖維、熔噴纖維和紡粘纖維)纖維尺寸與孔徑大小直徑過大，且堆積密度難以控制。而納米纖維具有大表面積、小孔徑和高孔隙率等特點，適用于納米顆粒物過濾。納米纖維制造的方法有模板合成、相分離的分離、熔噴法及靜電紡絲等等，使用靜電紡絲技術(shù)可制得次微米到納米尺寸的纖維，且操作簡單、易進行各種材質(zhì)纖維制作，該技術(shù)已成功應(yīng)用在各領(lǐng)域，如催化、組織工程支架、過濾、海水淡化、環(huán)境工程及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，電紡纖維可適用于任何形狀之反應(yīng)器，方便組裝、更換，并有研究指出靜電紡絲技術(shù)所研制奈米纖維具有高孔隙率與高表面附著，易藉由攔截與吸附作用進行次微米到納米顆粒物處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材及其制備方法。

所述復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材設(shè)有載體，在載體上披覆一層光觸媒纖維。

所述載體可采用微米聚對苯二甲酸纖維。

所述光觸媒纖維是指由聚丙烯腈與二氧化鈦以二甲基乙酰胺溶解而成的混合高分子溶液，再通過靜電紡絲裝置制備而成。

所述復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材的制備方法，包括以下步驟：

1)將聚丙烯腈與二甲基乙酰胺混合，加熱，制得高分子溶液；

2)將步驟1)制得的高分子溶液與二氧化鈦溶液混合，加熱，制得光觸媒組合物溶液；

3)將步驟2)制得的光觸媒組合物溶液置入設(shè)于自動進樣裝置的注射器中，經(jīng)靜電紡絲裝置噴出含鈦光觸媒纖維；

4)將聚對苯二甲酸纖維置于收集器上，將光觸媒組合物溶液直接電紡在聚對苯二甲酸纖維上，再疊合上一層聚對苯二甲酸纖維，形成三明治夾層的結(jié)構(gòu)，再熱壓，即得復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材。

在步驟1)中，所述加熱的溫度可為70～80℃，加熱的時間可為6～7h；制得的高分子溶液的質(zhì)量百分濃度可為6％。

在步驟2)中，所述加熱的溫度可為40～50℃，加熱的時間可為1～2h。

在步驟3)中，所述自動進樣裝置的進樣速度可為0.8～1.0mL/h，電壓可為13～16kV；所述靜電紡絲裝置的旋轉(zhuǎn)接受器轉(zhuǎn)速可為100～110r/min，收集距離可為10～15cm。

在步驟4)中，所述熱壓的溫度可為80℃。

本發(fā)明提供一種可同時處理揮發(fā)性有機物與顆粒物的光觸媒電紡纖維濾材，添加基體PET纖維，二氧化鈦可增加光觸媒復(fù)合材料的表面積及孔隙率，達到增加復(fù)合纖維濾材與污染物的接觸面積以及提升對VOCs處理能力的目的，并同時降低空氣中顆粒物。

本發(fā)明將商業(yè)用二氧化鈦與高分子聚丙烯腈制成二氧化鈦聚丙烯腈纖維(Titanium dioxide polyacrylonitrile fibers,TPF)，并將其負載于聚對苯二甲酸纖維(Polyethylene terephthalate,PET)上，形成復(fù)合材料。所添加二氧化鈦可增加纖維表面的帶電性，作為光催化反應(yīng)的觸媒，加之基體PET纖維的存在，使該濾材具有更低的穿透效率，改善濾材的過濾質(zhì)量，達到同時處理空氣中揮發(fā)性有機物及顆粒物的目的。

本發(fā)明利用靜電紡絲技術(shù)將含鈦光觸媒與高分子材料結(jié)合制成光觸媒纖維，并將其置于聚對苯二甲酸纖維載體上，由此改善傳統(tǒng)過濾器的穿透率與壓損，同時二氧化鈦可增強纖維膜的比表面積，也作為光催化反應(yīng)的觸媒將揮發(fā)性有機物氧化，形成可同時處理揮發(fā)性有機物與顆粒物的光觸媒電紡纖維濾材。本發(fā)明通過對所研制的復(fù)合纖維濾材進行特性分析、光催化效率及過濾質(zhì)量的評估，可知添加比例為2％的復(fù)合光觸媒纖維濾材，對揮發(fā)性有機物降解效率可達90％以上，對顆粒物的過濾穿透率可低于1.9％。經(jīng)實驗證明，添加二氧化鈦及聚對苯二甲酸纖維載體的復(fù)合纖維濾材有助于增加顆粒物過濾效果及提升對揮發(fā)性有機物的處理能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光觸媒電紡纖維濾材的3D示意圖；

圖2是本發(fā)明二氧化鈦聚丙烯腈光觸媒纖維的掃面電子顯微鏡及元素能譜分布圖；

圖3是本發(fā)明光觸媒電紡纖維濾材的掃面電子顯微鏡圖；

圖4是本發(fā)明聚丙烯腈纖維、二氧化鈦及電紡纖維復(fù)合濾材的X射線衍射掃描圖；

圖5是本發(fā)明單獨處理丙酮及同時處理丙酮與顆粒物的降解效率圖；

圖6是本發(fā)明單獨處理丙酮及同時處理丙酮與顆粒物的穿透效率圖。

具體實施方式

以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

所述復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材設(shè)有載體，在載體上披覆一層光觸媒纖維。

所述載體可采用微米聚對苯二甲酸纖維。

所述光觸媒纖維是指由聚丙烯腈與二氧化鈦以二甲基乙酰胺溶解而成的混合高分子溶液，再通過靜電紡絲裝置制備而成。

所述復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材的制備方法，包括以下步驟：

1)將聚丙烯腈與二甲基乙酰胺混合，加熱，制得高分子溶液；所述加熱的溫度可為70～80℃，加熱的時間可為6～7h；制得的高分子溶液的質(zhì)量百分濃度可為6％。優(yōu)選加熱的溫度為80℃，加熱的時間為6h。

2)將步驟1)制得的高分子溶液與二氧化鈦溶液混合，加熱，制得光觸媒組合物溶液；所述加熱的溫度可為40～50℃，加熱的時間可為1～2h。優(yōu)選所述加熱的溫度為40℃，加熱的時間為2h。

3)將步驟2)制得的光觸媒組合物溶液置入設(shè)于自動進樣裝置的注射器中，經(jīng)靜電紡絲裝置噴出含鈦光觸媒纖維；所述自動進樣裝置的進樣速度可為0.8～1.0mL/h，電壓可為13～16kV；所述靜電紡絲裝置的旋轉(zhuǎn)接受器轉(zhuǎn)速可為100～110r/min，收集距離可為10～15cm。優(yōu)選進樣速度1.0mL/h，電壓15kV，旋轉(zhuǎn)接受器轉(zhuǎn)速100r/min，收集距離15cm。

4)將聚對苯二甲酸纖維置于收集器上，將光觸媒組合物溶液直接電紡在聚對苯二甲酸纖維上，再疊合上一層聚對苯二甲酸纖維，形成三明治夾層的結(jié)構(gòu)，再熱壓，即得復(fù)合納米光觸媒電紡纖維濾材。所述熱壓的溫度可為80℃。

本發(fā)明采用丙酮廢氣處理裝置，該裝置主要分為丙酮產(chǎn)生裝置、光催化反應(yīng)器以及氣體分析裝置等三大部份，首先，先以丙酮鋼瓶與空氣鋼瓶產(chǎn)生混合氣體，并通過流量計調(diào)整丙酮濃度，將丙酮濃度調(diào)整至實驗所需濃度值，同樣以流量計控制通入光催化反應(yīng)器之流量，并以手持式VOCs光離子化檢測器(Photoionization detector,PID)檢測光催化反應(yīng)前后之丙酮濃度，以探討VOCs之去除率。其中，光催化反應(yīng)器尺寸為20cm×25cm×15cm。

圖1顯示，本發(fā)明電紡纖維復(fù)合濾材3D示意圖。整體電紡復(fù)合纖維濾材分三層，底部為一層聚對苯二甲酸纖維，中間為二氧化鈦聚丙烯腈光觸媒纖維，最上部一層為聚對苯二甲酸纖維，形成夾層三明治結(jié)構(gòu)。

圖2和3顯示，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)及元素能譜分布儀(EDS)觀察材料表面結(jié)構(gòu)及元素分布情況。圖中可觀察到利用靜電紡絲成功制成絲狀纖維，其纖維直徑大約在200～250nm之間，二氧化鈦均勻的分布在纖維表面，可使纖維具較多接觸面積以有效處理VOCs，以利達到更好的處理效果。PET纖維表面光滑平整，納米級的TPF纖維已附著在微米級的PET纖維上，由PET纖維作為支架，支撐著TPF纖維，形成相互支撐的結(jié)構(gòu)。

圖4顯示，利用X射線衍射(XRD)分析鑒定含二氧化鈦、TPF及之聚丙烯腈的晶型結(jié)構(gòu)，根據(jù)其繞射峰進行晶粒尺寸分析。經(jīng)由MDI Jade系統(tǒng)卡號為21-1727的二氧化鈦銳鈦礦晶相對照可得知，于(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)與(215)具有明顯二氧化鈦的特性峰，皆為銳鈦礦，可發(fā)現(xiàn)經(jīng)由靜電紡絲技術(shù)制備光觸媒納米纖維并不會造成二氧化鈦結(jié)構(gòu)破壞，依然保有二氧化鈦的特性。

圖5顯示，比較同時處理丙酮及顆粒物與單獨處理丙酮的光催化效率，處理一h后，通入顆粒物之光催化效率與與單獨處理丙酮的光催化效率差異有限；但經(jīng)過8h后，同時處理丙酮及顆粒物之光催化效率下降較為明顯，乃因顆粒物在濾材表面形成塵餅，阻擋了紫外光與觸媒的接觸，致使光催化反應(yīng)更不易發(fā)生，并導(dǎo)致效率下降。建議當(dāng)同時處理顆粒物與丙酮時，應(yīng)注意光源與顆粒物流線方向的設(shè)置，將光源置于濾材之背面，減少光源被阻擋的可能。

圖6顯示，同時處理顆粒物與丙酮對處理兩種污染物效果的影響，使用基重1g m^-2之2％TPF于停留時間5min下(1500mL min^-1)，面速度為0.5cm s^-1(流量:1500mL min^-1；濾材面積:50cm²)，于光催化反應(yīng)系統(tǒng)中通入400ppm的丙酮與顆粒物產(chǎn)生系統(tǒng)所產(chǎn)生的顆粒物，利用PID量測進出口顆粒物與丙酮的濃度。同時處理丙酮及顆粒物之過濾性能測試結(jié)果，顯示同時處理時，對過濾顆粒物并沒有明顯影響。