多功能结构可控复合滤材的构建及性能研究
发布时间：2022-01-27 23:22
随着经济的发展和人民生活水平的提高,人们越发意识到健康的居住环境的重要性。然而,由于工业化和城市化进程的加快,空气污染问题越来越严重。在我国,每年有超过130万人因空气污染导致的呼吸系统疾病而过早死亡。较差的室外空气环境也会导致室内空气质量不达标。目前,室内最主要的空气污染物是颗粒物和建筑装饰材料挥发的甲醛,并且两种污染物不是单独存在,而是在相互作用后以气溶胶的形式存在。空气净化是目前最有效的去除室内空气污染物的手段之一。但现有大部分空气净化器滤材只针对一种污染物有效,且功能较为单一。因此,设计并制备一种具有多功能且结构可控的空气过滤材料意义重大。在众多过渡金属氧化物中,二氧化锰（MnO2）被广泛地用于室温去除甲醛,其可将甲醛转化为水和二氧化碳。在本论文中,设计了多种MnO2催化剂负载的多功能复合滤材,并研究了其在去除甲醛和颗粒物（PM）等室内污染物领域的应用。具体的研究工作主要包括以下几个方面:1.分别采用共沉淀和氧化还原法制备了四种不同晶型的MnO2晶体,并对四种MnO2晶体在室温下去除甲醛的性...
【文章来源】：东华大学上海市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一款市售空气过滤器结构示意图[44]
东华大学博士学位论文第一章绪论9工作过程示意图如图1-2所示。聚合物切片经加热后熔融，从喷丝孔中挤出，形成熔体细流。熔体细流经高速热空气牵伸后成纤，后经冷却风作用结晶并被接收装置收集成型[47]。由于熔喷工艺可生产细度小于10μm（通常1~4μm）的超细纤维，所以熔喷纤维材料制品被广泛地应用于过滤领域。熔喷法制成的过滤材料通常具有高比表面积，高阻隔率，高绝缘值等优点。通过高压电晕驻极充电技术处理过后的熔喷滤材，可依靠静电引力实现对颗粒物的高效捕集，提高对颗粒物的过滤性能。Zhang等[48,49]对熔喷非织造驻极滤材的加工、驻极过程以及过滤性能做了系统研究。首先他们观测在电晕充电驻极过程中，会产生特有的蓝色光束。该光束是由于高压电击穿空气释放的大量电荷在运动过程中产生的，因此他们将其命名为“电晕蓝光”。之后他们对驻极后的熔喷滤材进行了颗粒物过滤性能测试。结果表明，滤材对直径为0.3μm的氯化钠（NaCl）气溶胶的过滤效率可达到99%以上，阻力压降不高于92Pa，过滤性能优异。Lalagiri等[50]研究了不同纤维直径、克重对熔喷滤材过滤性能的影响，研究发现纤维直径越孝克重越大时滤材的品质因数越高，材料的过滤性能越好。Hassan等[51]通过对喷丝板的改良设计，制备出了单纤直径可达到数百纳米的熔喷纤维材料。颗粒物过滤结果显示，当纤维毡单位面积质量达到40g/m2时，滤材对0.3μm的NaCl气溶胶的过滤效率可达到99.978%，但过滤阻力也随之上升到280Pa。图1-2熔喷工艺示意图Figure1-2Aschematicillustrationofmelt-blownprocess（2）超细玻璃纤维滤材玻璃纤维是最早被制备的纺织纤维材料，其优点是耐高温、抗腐蚀、效率高、容尘量大、稳定性好、抗结露等[52,53]。超细玻璃纤维用于空气过滤材料的?
东华大学博士学位论文第一章绪论14Nie等[95]通过原位红外光谱研究甲醛在Pt/TiO2/Cotton（PTC）材料作用下的催化氧化路径。具体结论如下：首先空气中的O2可被Pt的活性位点捕获并解离为活性O原子，与此同时，甲醛分子以及弱的键能和PTC催化剂表面羟基等官能团结合。接着，甲醛分子与上述分解的活性O原子相互作用被氧化为二甲氧基中间体，二甲氧基又被快速地氧化为甲酸。随后在金属Pt作用下甲酸失水形成一氧化碳，最终一氧化碳被氧化为二氧化碳（图1-3）。实验过程中还发现：中间产物二甲氧基的存在时间很短，不易被检测；虽然最终的产物是水和二氧化碳，但是由于非极性的二氧化碳与催化剂表面连接键能较弱并极易脱附，所以很难被红外光谱探测，产物中只有水可被探测到，因为极性水分子与催化剂之间的作用力较强。图1-3PTC氧化分解甲醛机理图[95]Figure1-3SchematicmechanismdiagramforHCHOoxidativedecompositionoverthePTCcatalystWang等人[91]研究了Co3O4催化剂中氧缺陷含量对催化氧化甲醛性能的影响及可能涉及的反应机理。他们首先制备了3种具有不同氧缺陷含量的Co3O4纳米颗粒。并在25oC的室温条件下测试了纳米颗粒对甲醛的催化效果。实验结果表明，氧缺陷含量决定了甲醛催化反应的速度。作者提出下述机理：因为氧缺陷的存在大大降低了氧分子的结合能，可使空气中的氧分子从表面氧缺陷处接受电子离域，转化为活性氧；在大量活性氧的作用下，甲醛分子可被最终氧化为水和二氧化碳。此外，Co3+/Co2+之间的氧化还原循环加速了活性氧的迁移，而Co3+因可促进氧化还原的循环，从而在甲醛的催化反应过程中起主导地位。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气净化器综合性能分析[J]. 白莉,张美玲. 吉林建筑大学学报. 2018(05)
[2]三维有序介孔二氧化锰制备及其甲醛催化氧化性能（英文）[J]. 拜冰阳,乔琦,李俊华,郝吉明. 催化学报. 2016(01)
[3]机械通风与自然通风对办公建筑室内环境营造差异性的模拟分析[J]. 安晶晶,燕达,周欣,孙开宇. 建筑科学. 2015(10)
[4]二氧化锰及相关锰氧化物的晶体结构、制备及放电性能（1）[J]. 夏熙. 电池. 2004(06)
博士论文
[1]超细纳米蛛网材料的成型机理及高效空气过滤应用研究[D]. 张世超.东华大学 2017
[2]水钠锰矿型二氧化锰室温催化分解甲醛的研究[D]. 王金龙.清华大学 2016
[3]室内VOC净化材料吸附与反应机理、特性及评价研究[D]. 徐秋健.清华大学 2011
硕士论文
[1]纳米碳复合过渡金属氧化物催化剂的制备及其甲醛催化氧化性能研究[D]. 姜强.华南理工大学 2019
[2]PTFE微孔膜/熔喷材料复合空气滤材的制备与性能研究[D]. 李猛.东华大学 2017
[3]熔盐法处理废旧纺织纤维制备活性炭材料及其性能研究[D]. 窦砚鹏.武汉纺织大学 2016
[4]脉冲放电等离子体-催化降解室内甲醛气体的研究[D]. 韩冰雁.上海交通大学 2012
[5]玻璃纤维和化学纤维滤料对悬浮细菌颗粒的过滤性能研究[D]. 郭佳佳.天津大学 2012
本文编号：3613265
【文章来源】：东华大学上海市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一款市售空气过滤器结构示意图[44]
东华大学博士学位论文第一章绪论9工作过程示意图如图1-2所示。聚合物切片经加热后熔融，从喷丝孔中挤出，形成熔体细流。熔体细流经高速热空气牵伸后成纤，后经冷却风作用结晶并被接收装置收集成型[47]。由于熔喷工艺可生产细度小于10μm（通常1~4μm）的超细纤维，所以熔喷纤维材料制品被广泛地应用于过滤领域。熔喷法制成的过滤材料通常具有高比表面积，高阻隔率，高绝缘值等优点。通过高压电晕驻极充电技术处理过后的熔喷滤材，可依靠静电引力实现对颗粒物的高效捕集，提高对颗粒物的过滤性能。Zhang等[48,49]对熔喷非织造驻极滤材的加工、驻极过程以及过滤性能做了系统研究。首先他们观测在电晕充电驻极过程中，会产生特有的蓝色光束。该光束是由于高压电击穿空气释放的大量电荷在运动过程中产生的，因此他们将其命名为“电晕蓝光”。之后他们对驻极后的熔喷滤材进行了颗粒物过滤性能测试。结果表明，滤材对直径为0.3μm的氯化钠（NaCl）气溶胶的过滤效率可达到99%以上，阻力压降不高于92Pa，过滤性能优异。Lalagiri等[50]研究了不同纤维直径、克重对熔喷滤材过滤性能的影响，研究发现纤维直径越孝克重越大时滤材的品质因数越高，材料的过滤性能越好。Hassan等[51]通过对喷丝板的改良设计，制备出了单纤直径可达到数百纳米的熔喷纤维材料。颗粒物过滤结果显示，当纤维毡单位面积质量达到40g/m2时，滤材对0.3μm的NaCl气溶胶的过滤效率可达到99.978%，但过滤阻力也随之上升到280Pa。图1-2熔喷工艺示意图Figure1-2Aschematicillustrationofmelt-blownprocess（2）超细玻璃纤维滤材玻璃纤维是最早被制备的纺织纤维材料，其优点是耐高温、抗腐蚀、效率高、容尘量大、稳定性好、抗结露等[52,53]。超细玻璃纤维用于空气过滤材料的?
东华大学博士学位论文第一章绪论14Nie等[95]通过原位红外光谱研究甲醛在Pt/TiO2/Cotton（PTC）材料作用下的催化氧化路径。具体结论如下：首先空气中的O2可被Pt的活性位点捕获并解离为活性O原子，与此同时，甲醛分子以及弱的键能和PTC催化剂表面羟基等官能团结合。接着，甲醛分子与上述分解的活性O原子相互作用被氧化为二甲氧基中间体，二甲氧基又被快速地氧化为甲酸。随后在金属Pt作用下甲酸失水形成一氧化碳，最终一氧化碳被氧化为二氧化碳（图1-3）。实验过程中还发现：中间产物二甲氧基的存在时间很短，不易被检测；虽然最终的产物是水和二氧化碳，但是由于非极性的二氧化碳与催化剂表面连接键能较弱并极易脱附，所以很难被红外光谱探测，产物中只有水可被探测到，因为极性水分子与催化剂之间的作用力较强。图1-3PTC氧化分解甲醛机理图[95]Figure1-3SchematicmechanismdiagramforHCHOoxidativedecompositionoverthePTCcatalystWang等人[91]研究了Co3O4催化剂中氧缺陷含量对催化氧化甲醛性能的影响及可能涉及的反应机理。他们首先制备了3种具有不同氧缺陷含量的Co3O4纳米颗粒。并在25oC的室温条件下测试了纳米颗粒对甲醛的催化效果。实验结果表明，氧缺陷含量决定了甲醛催化反应的速度。作者提出下述机理：因为氧缺陷的存在大大降低了氧分子的结合能，可使空气中的氧分子从表面氧缺陷处接受电子离域，转化为活性氧；在大量活性氧的作用下，甲醛分子可被最终氧化为水和二氧化碳。此外，Co3+/Co2+之间的氧化还原循环加速了活性氧的迁移，而Co3+因可促进氧化还原的循环，从而在甲醛的催化反应过程中起主导地位。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气净化器综合性能分析[J]. 白莉,张美玲. 吉林建筑大学学报. 2018(05)
[2]三维有序介孔二氧化锰制备及其甲醛催化氧化性能（英文）[J]. 拜冰阳,乔琦,李俊华,郝吉明. 催化学报. 2016(01)
[3]机械通风与自然通风对办公建筑室内环境营造差异性的模拟分析[J]. 安晶晶,燕达,周欣,孙开宇. 建筑科学. 2015(10)
[4]二氧化锰及相关锰氧化物的晶体结构、制备及放电性能（1）[J]. 夏熙. 电池. 2004(06)
博士论文
[1]超细纳米蛛网材料的成型机理及高效空气过滤应用研究[D]. 张世超.东华大学 2017
[2]水钠锰矿型二氧化锰室温催化分解甲醛的研究[D]. 王金龙.清华大学 2016
[3]室内VOC净化材料吸附与反应机理、特性及评价研究[D]. 徐秋健.清华大学 2011
硕士论文
[1]纳米碳复合过渡金属氧化物催化剂的制备及其甲醛催化氧化性能研究[D]. 姜强.华南理工大学 2019
[2]PTFE微孔膜/熔喷材料复合空气滤材的制备与性能研究[D]. 李猛.东华大学 2017
[3]熔盐法处理废旧纺织纤维制备活性炭材料及其性能研究[D]. 窦砚鹏.武汉纺织大学 2016
[4]脉冲放电等离子体-催化降解室内甲醛气体的研究[D]. 韩冰雁.上海交通大学 2012
[5]玻璃纤维和化学纤维滤料对悬浮细菌颗粒的过滤性能研究[D]. 郭佳佳.天津大学 2012
本文编号：3613265
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