[发明专利]具有纳米级光催化剂的活性碳纤维及其加工方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种低浓度有机废气或臭气的净化材料及其加工方法，主要涉及所用的掺杂复合光催化材料、及附着有这种材料的载体。

背景技术

随着工、农业的发展和城市人口的膨胀，恶臭气体的污染问题日趋突出，给人们的生活质量造成了严重影响，并且会直接危害人体的健康。在城市臭气来源方面，市政污水的收集与处理过程是造成臭气排放的主要原因，其中污水泵站及污水处理厂的臭气排放情况最为严重。另外，在城市生活垃圾、粪便的收集、转运等场所也会释放大量的恶臭气体，对周围的环境质量造成严重破坏，同时也影响着现代都市的形象。随着公众对生活环境质量意识的提高，针对恶臭的污染问题的投诉和抱怨的事件在急剧增加，已成为及待解决的环保问题之一。

常规的恶臭气体治理技术主要有吸附法、吸收法和生物分解法等。但是，由于市政污水系统所释放臭气的特殊性，上述方法难以对其进行经济、有效的处理，急需开发经济有效的治理新技术。

近年来，以半导体金属氧化物为催化剂的光催化氧化技术在废气净化领域中的应用受到关注。该技术直接利用紫外光在常温下来激活催化剂，使其表面生成自由电子(e^-)和空穴(H⁺)对，将吸收的光能转化成化学能，即具有光催化作用。在有空气和水蒸汽存在时，催化剂表面上的自由电子或空穴分解可以与所吸附的水或水蒸气作用产生强氧化性的羟基自由基(OH·)、原子态的氧(O·)、臭氧(O3)及过氧化氢(H₂O₂)等，这些物质具有很强的氧化作用，从而将废气中的异味物质(如硫化氢、氨气等)氧化分解，达到除臭效果。

目前二氧化钛(TiO2)是最有应用价值的光催化剂，且在废气净化领域中已有应用。然而，单纯以二氧化钛作为光催化剂时只能利用波长小于387.5nm的紫外光，而对于波长较大的光则无法利用。由于自然光中波长小于387.5nm的光所占比例很小(＜4％)，因此一般的光催化剂无法有效利用自然光。而且，由于大部分的紫外光源所产生光的波长也是在一定范围分布的，其中波长大于387.5nm的光也无法得到有效利用，很大程度上造成能量浪费。在上述情况下，若能采用适当的处理方法，使光催化剂能够利用波长较宽的光源，则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，由于泵站或其它工业废气气体流量一般较高，在光催化净化室内的停留时间非常有限(多在5秒以下)，而光催化反应的速度相对较慢，有些污染物还来不及与活性粒子反应。因此，需要采取适当的方法，来选择性地增加污染物分子在光催化区内的停留时间。同时在光催化剂区内也会产生少量臭氧，如何充分臭氧并减少其流失也是光催化废气净化技术的关键问题之一。

国家知识产权局公开的申请号为200410029904.3，名称为“一种纳米二氧化钛溶胶及其制备方法”的专利技术，它提供了一种具有光催化功能的纳米二氧化钛溶胶及其制备方法。但其只能在紫外光下实现光催化作用。

发明内容

本发明针对光催化废气净化技术所存在的问题，提出了以活性炭纤维为光催化剂的载体，使其能在较宽光谱下实现光催化作用的具有纳米级光催化剂的活性碳纤维及其加工方法。

本发明的技术方案是：它为沥青基或粘胶基，纤维为短纤维、织布或毡，纤维体的表面均匀附着有活性炭颗粒，在活性炭颗粒表面和颗粒间隙中均匀附着有纳米级光催化剂。

活性炭纤维装载在带有支撑网或支撑条的支撑框内形成光催化过滤层。

本发明的加工方法，它包括如下步骤：

1)将钛的有机化合物或无机化合物加入溶剂中搅拌，其中钛的有机化合物或无机化合物折算为二氧化钛的重量占目标溶液总量的2～30％；再把浓度为1-10％的硫酸按1∶0.5～2的体积比加入上述溶液，搅拌；之后调整混合液的pH值至6～7，搅拌3～7分钟，制得A溶液；

2)选取改性掺杂用金属离子的可溶性硝酸盐或有机盐，将其折算为高价态金属氧化物计量，使用去离子水将其配制为浓度1-5％的溶液，制得B溶液；

3)将A、B混合，使溶液中掺杂金属氧化物与二氧化钛重量之比为0.01～0.2∶1；之后调整混合液pH值调到6.5～7.5，并搅拌，制得溶胶；

4)称取一定量的活性炭纤维，将其置入广口容器中，取一定体积的溶胶对活性炭纤维进行浸泡，使溶胶中的含钛、改性金属离子的溶胶以及少量铵盐逐渐沉积到碳纤维表面，浸泡时间控制在3～7小时左右；

5)再将浸泡后的活性炭纤维捞出，沥干水后置入烘箱内，加温至90℃～110℃，烘干；