[发明专利]一种多功能协同的多级孔空气净化膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种多功能协同的多级孔空气净化膜的制备方法，空气净化膜为孔道内负载2D层状结构MnO₂的聚苯乙烯多级孔纳米纤维膜，属于分离膜制备技术领域。基于正丁醇在高锰酸钾水溶液中的氧化还原反应机理，合成具有高催化活性的层状水钠锰矿型MnO₂；再利用静电纺丝技术一步将获得的MnO₂填充到单根聚苯乙烯纳米纤维的介孔孔道中，制备具有多级孔结构的孔道内负载MnO₂的聚苯乙烯多级孔纳米纤维膜。本发明工艺简单适用且成本低廉，利用多级孔结构的大比表面积、高孔隙率、高气体渗透性以及层状MnO₂丰富的表面活性氧种类和高催化活性，实现室内空气中PM2.5和甲醛气体的一体化高效治理。

技术领域

本发明属于空气净化膜制备技术领域，具体为一种多功能空气净化用负载层状二氧化锰(MnO₂)的聚苯乙烯多级孔纳米纤维膜的制备方法。

背景技术

由于城市化进程的加快和科学技术的发展，人们的生活方式发生了很大的变化。人们在室内如办公室、学校、商场、公共交通设施等停留超过90%的时间，因此，室内空气质量(IAQ)与我们的健康息息相关。室内空气污染成分复杂多样，不仅含有易于穿透肺部的PM2.5，还存在易挥发性有机污染物，如甲醛气体。尽管通风系统和中央空调已被安装一些现代商业建筑中，用于改善室内空气品质。然而，这种新风系统的成本很高，普通住宅难以承受。在中国，70%的新建住宅小区和翻新住宅的居民仍然受到甲醛浓度超标的困扰。因此，制定切实可行的室内空气质量保护策略具有重要意义。

具有特殊二维层状结构的水钠锰矿型MnO₂因其具有最多的活性氧种类且成本较低，在室温下对甲醛的氧化活性最高而被广泛应用于室内空气净化。现有报道的二维层状水钠锰矿型MnO₂的合成方法大都是共沉淀法，即将高锰酸钾水溶液和硫酸锰水溶液混合置于水热反应釜中，在200 °C以上的温度下水热反应24 h后，再在300 °C下煅烧制得(Journal Of Materials Chemistry A, 2017, 5(12): 5719-5725)。然而，共沉淀法需要在高温高压条件下进行，反应条件需严格把控，且能耗较高。本发明利用氧化还原法，在常温常压下即可制备层状MnO₂，反应条件较温和，且能耗也较低。

关于将负载层状MnO₂膜材料用于协同空气净化的研究报道目前还较少，其中Dai等人将层状MnO₂通过喷雾的方式负载在聚乙烯/聚丙烯复合非织造布上，用于空气中超细粉尘颗粒的去除和甲醛的催化(Journal Of Materials Chemistry A, 2018, 6(30):14856-14866)。然而，由于聚乙烯/聚丙烯复合非织造布的纤维直径属于微米级，对空气中超细颗粒的捕捉作用较低，PM过滤效率仅有71.73，且室温下对甲醛只达到约40%的去除率。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能空气净化用负载层状二氧化锰(MnO₂)的聚苯乙烯多级孔纳米纤维膜的制备方法，该膜材料具有高效的超细粉尘颗粒(PM2.5)捕捉能力，同时能协同催化去除室内空气中的易挥发性化学污染物(HCHO)。

本发明采用静电纺丝技术将层状MnO₂纳米颗粒直接填充到聚苯乙烯(PS)多孔纳米纤维上的介孔孔道中，制备了一种具有多级孔结构的MnO₂/PS纳米纤维膜用于室内PM2.5和HCHO气体的有效去除。其中，介孔结构提供了气体渗透通道，使HCHO气体容易与MnO₂接触并被氧化转化；同时，层状MnO₂增大了纳米纤维膜的比表面积，增强了其PM捕获性能。此外，纳米纤维交织的大孔隙增大了膜的气体渗透性，降低了PM2.5去除过程中的阻力，在较低成本条件下，实现室内复杂空气污染物的高效协同净化。

本发明的技术方案如下：