一种茶提取物改性活性炭材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及空气净化技术领域，尤其涉及一种茶提取物改性活性炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着人们环保意识的提高，对可挥发性有机物排放的关注度逐渐提升，甲醛作为一种常见的挥发性有机空气污染物，由于其对感官和呼吸系统具有强烈的刺激性，并且长期处于含有甲醛的环境中，可能会引起呼吸困难以及其他如记忆力下降、肺水肿、肺癌和白血病等疾病。因此，为了最大程度降低甲醛对人体造成的危害，研究开发具有优异吸附性能的材料尤为重要。

目前，针对空气中的污染物，市场上最常用的吸附材料是活性炭材料，其原因在于活性炭是一种多孔材料，其比表面积大，对污染物具有很强的吸附能力，并且价格低廉，符合绿色化学的要求。但是，活性炭作为一种物理吸附类材料，其表面官能团有限，所能提供的吸附位点也有限，因此存在对污染物具有选择吸附性，吸附易饱和以及饱和易脱附等问题，这意味着在空气净化过程中，需要不定期更换活性炭材料，这样不仅会极大地增加了使用成本，还会对环境造成二次污染。

为了解决上述活性炭所存在不足之处，采用具有优异化学吸附的材料与活性炭进行复合，可以发挥二者的协同作用，从而形成一种稳定性好、具有极强吸附能力的空气净化材料。茶叶作为我国的传统饮品，其产业发展十分迅猛，因此茶叶的深加工和综合利用所占比重也日益增大，由此会产生大量的茶叶及其废弃物。这些茶叶及其废弃物或多或少仍保留有茶叶本身含有的如茶多酚、茶色素、咖啡碱、氨基酸等活性物质，而这些茶提取物能与甲醛发生反应，因此我们认为被滞销的茶叶或者茶叶废弃物在甲醛吸附领域仍大有用武之地。CN201610609492.3专利中的方法将活性炭粉、珍珠粉和薄荷脑浸入茶叶、艾叶和金银花的提取液中0～5℃下冷藏12～14小时，最后加入亚氯酸钠和辛烯基琥珀酸淀粉酯喷雾干燥获得空气净化剂。但该工艺条件苛刻，改性时间较长，所使用的化学药品对人体会产生严重的危害。

因此，提供一种制备工艺简单且对甲醛吸附性能更好的活性炭材料，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种茶提取物改性活性炭材料及其制备方法和应用，本发明提供的茶提取物改性活性炭材料对甲醛具有更好的化学吸附效果，且经改性后活性炭的微孔比例增加，孔径结构小。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将茶叶或其废弃物和水混合，过滤后得到茶水溶液；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，得到茶提取物改性活性炭材料。

优选地，所述步骤(1)中茶叶或其废弃物和水的质量比为(5～60)：1000。

优选地，所述步骤(1)中混合的温度为40～100℃，混合的时间为2～36h。

优选地，所述步骤(2)中茶水溶液和活性炭的质量比为1000：(25～480)。

优选地，所述步骤(2)中负压吸附的真空度为-0.01～-0.1MPa，负压吸附的时间为5～240min。

优选地，所述步骤(2)中负压吸附结束后，还包括过滤和干燥。

优选地，所述干燥的时间为12～72h。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的茶提取物改性活性炭材料。

优选地，所述茶提取物改性活性炭材料中活性炭的质量百分含量为95～99.4％，茶提取物的质量百分含量为0.6～5％。

本发明提供了上述技术方案所述所述茶提取物改性活性炭材料在空气净化材料中的应用。

本发明提供了一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将茶叶或其废弃物和水混合，过滤后得到茶水溶液；(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，得到茶提取物改性活性炭材料。本发明将茶叶或其废弃物和水混合得到茶水溶液，将活性炭浸渍在茶水溶液中，然后在负压系统中使茶提取物吸附于活性炭的表面及孔内，不仅能够大幅度缩短改性活性炭的时间以及减少传统化学改性活性炭所带来的后处理步骤，又能充分发挥茶提取物与甲醛之间的化学作用，从而赋予活性炭更多的化学吸附能力；所采用的化学改性剂来源广泛，成本低廉，简单易得，采用其对活性炭进行改性，可在一定程度上对茶废弃物进一步开发利用，从而减轻环境负担以及对资源进行回收；通过创造负压条件，使活性炭快速吸附茶提取物，工艺流程简单易行，绿色高效，成本低，具有可观的工业化大规模生产和应用潜力；将茶提取物负载于活性炭中，可以发挥茶提取物和活性炭的各自优势，并且产生协同作用，活性炭利用其比表面积较大的特性将空气甲醛进行物理吸附，然后利用茶提取物中含有酚羟基等官能团与甲醛分子作用，对甲醛进行化学吸附，从而使得改性活性炭的吸附能力大幅度提高，进而对空气污染物具有良好的吸附净化作用。实施例的结果显示，采用本发明的制备方法对活性炭进行改性处理后，能够大幅度增加活性炭的对甲醛的化学吸附能力，同时茶提取物的负载有助于减小活性炭孔洞，增加微孔比例，从而增加甲醛物理吸附能力，相对于未经过改性的活性炭，茶提取物改性活性炭材料对甲醛的吸附效果提高20％以上。

附图说明

图1为本发明实施例2制备得到的茶提取物改性活性炭材料和对比例2所用的煤质柱状活性炭的孔径分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将茶叶或其废弃物和水混合，过滤后得到茶水溶液；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，得到茶提取物改性活性炭材料。

本发明将茶叶或其废弃物和水混合，过滤后得到茶水溶液。

在本发明中，所述茶叶或其废弃物优选包括茶叶、茶梗、茶树修剪枝、茶渣中的一种或几种。本发明对所述茶叶或其废弃物的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的茶叶或其废弃物即可。本发明采用茶叶或其废弃物作为原料，来源广泛且成本低，其具有的茶提取物能够与甲醛发生羟醛缩合反应，从而提高材料对甲醛的吸附性能。

在本发明中，所述茶叶或其废弃物未经过浸泡时，茶叶可直接与水混合；所述茶叶或其废弃物经过浸泡时，所述茶叶或其废弃物优选粉碎成粉末后与水混合。本发明对所述粉末的粒径没有特殊的限定，根据本领域技术人员的技术常识确定即可。本发明未经过浸泡的茶叶或其废弃物中茶提取物含量较多，直接与水混合即可得到浓度较高的茶水溶液，而经过浸泡的茶叶或其废弃物中茶提取物含量较小，将其粉碎后有利于残留的茶提取物浸出。

在本发明中，所述水优选为去离子水。

在本发明中，所述茶叶或其废弃物和水的质量比优选为(5～60)：1000，更优选为(7～55)：1000，进一步优选为(7～40)：1000，最优选为(7～30)：1000。本发明通过控制茶叶或其废弃物和水的质量比，可以保证得到较高浓度的茶水溶液。

在本发明中，所述混合的温度优选为40～100℃，更优选为50～90℃，进一步优选为60～80℃；所述混合的时间优选为2～36h，更优选为6～28h，进一步优选为10～20h。本发明通过控制混合的温度和时间，有利于进一步促进茶叶中的茶提取物的浸出。

在本发明中，所述混合优选在恒温设备中进行。在本发明中，所述恒温设备优选为恒温搅拌水浴锅、集热式恒温加热磁力搅拌器、水浴恒温振荡器中的任意一种。

本发明对所述过滤的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过滤方式，能够将固液分离即可。

得到茶水溶液后，本发明将所述茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，得到茶提取物改性活性炭材料。

在本发明中，所述活性炭优选包括颗粒活性炭或柱状活性炭中的一种或几种；所述颗粒活性炭优选包括椰壳颗粒活性炭、果壳颗粒活性炭和煤质颗粒活性炭中的一种或几种；所述柱状活性炭优选包括煤质柱状活性炭和木质柱状活性炭中的一种或几种。本发明对所述活性炭的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明利用活性炭本身的孔隙结构发达以及出色的吸附脱色能力，将茶提取物吸附在活性炭介孔和大孔中，一方面能够增加活性炭的微孔比例，另一方面能够增加活性炭的化学吸附能力，从而使改性材料具有优异的吸附性能以及甲醛去除能力。

在本发明中，所述茶水溶液和活性炭的质量比优选为1000：(25～480)，更优选为1000：(60～360)，进一步优选为1000：(90～240)，最优选为1000：(125～200)。本发明通过控制两者的质量比，可以保证活性炭中吸附足量的茶提取物。

在本发明中，所述负压吸附的真空度优选为-0.01～-0.1MPa，更优选为-0.04～-0.098MPa，进一步优选为-0.07～-0.096MPa；所述负压吸附的时间优选为5～240min，更优选为30～180min，进一步优选为60～120min。本发明采用负压吸附方法，能够将茶叶或其废弃物上的茶提取物快速附着在活性炭中，具有绿色高效、简便易行、成本低等优点，适用于工业化生产与应用，具有十分重要的实际应用价值；通过控制负压吸附的参数，可以进一步提高活性炭中茶提取物的吸附量。

在本发明中，所述负压吸附结束后，优选还包括过滤和干燥。本发明对所述过滤的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过滤方式，能够将固液分离即可。在本发明中，所述干燥优选在干燥仪器中进行；所述干燥仪器优选为真空干燥箱、鼓风干燥箱、冷冻干燥机中的任意一种；所述干燥的时间优选为12～72h，更优选为24～60h，进一步优选为36～48h。本发明对所述干燥的温度没有特殊的限定，根据本领域技术人员的技术常识确定即可。

本发明以茶叶或其废弃物为原料，其具有的茶提取物能够与甲醛发生羟醛缩合反应；利用活性炭本身的孔隙结构发达以及出色的吸附脱色能力，将茶提取物吸附在活性炭介孔和大孔中，一方面能够增加活性炭的微孔比例，另一方面能够增加活性炭的化学吸附能力，从而使改性材料具有优异的吸附性能以及甲醛去除能力；制备方法避免了现有化学改性活性炭工艺使用化学试剂，后处理工艺繁琐等缺陷；采用负压吸附方法，能够将茶叶或其废弃物上的茶提取物快速附着在活性炭中，具有绿色高效、简便易行、成本低等优点，适用于工业化生产与应用，具有十分重要的实际应用价值。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的茶提取物改性活性炭材料。

在本发明中，所述茶提取物改性活性炭材料中活性炭的质量百分含量优选为95～99.4％，更优选为95.8～99％，进一步优选为96.6～98.6％，最优选为97.4～98.2％；所述茶提取物的质量百分含量优选为0.6～5％，更优选为1～4.2％，进一步优选为1.4～3.4％，最优选为1.8～2.6％。本发明通过控制茶提取物改性活性炭材料中活性炭和茶提取物的含量，可以保证茶提取物对活性炭进行充分改性。

本发明将茶叶或其废弃物和水混合得到茶水溶液，将活性炭浸渍在茶水溶液中，然后在负压系统中使茶提取物吸附于活性炭的表面及孔内，不仅能够大幅度缩短改性活性炭的时间以及减少传统化学改性活性炭所带来的后处理步骤，又能充分发挥茶提取物与甲醛之间的化学作用，从而赋予活性炭更多的化学吸附能力；所采用的化学改性剂来源广泛，成本低廉，简单易得，采用其对活性炭进行改性，可在一定程度上对茶废弃物进一步开发利用，从而减轻环境负担以及对资源进行回收；通过创造负压条件，使活性炭快速吸附茶提取物，工艺流程简单易行，绿色高效，成本低，具有可观的工业化大规模生产和应用潜力；将茶提取物负载于活性炭中，可以发挥茶提取物和活性炭的各自优势，并且产生协同作用，活性炭利用其比表面积较大的特性将空气甲醛进行物理吸附，然后利用茶提取物中含有酚羟基等官能团与甲醛分子作用，对甲醛进行化学吸附，从而使得改性活性炭的吸附能力大幅度提高，进而对空气污染物具有良好的吸附净化作用。。

本发明还提供了上述技术方案所述茶提取物改性活性炭材料在空气净化材料中的应用。

本发明对所述茶提取物改性活性炭材料在空气净化材料中应用的具体方式没有特殊的限定，根据本领域技术人员的技术常识确定即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，为以下步骤：

(1)将未浸泡的茶叶和去离子水在恒温搅拌水浴锅中混合，过滤后得到茶水溶液；所述未浸泡的茶叶和水的质量比为5：1000；所述混合的温度为40℃，混合的时间为2h；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，最后进行过滤和干燥得到茶提取物改性活性炭材料；所述活性炭为煤质颗粒活性炭；所述茶水溶液和活性炭的质量比为1000：25；所述负压吸附的真空度为-0.01MPa，负压吸附的时间为240min；所述干燥在真空干燥箱中进行，干燥的时间为12h。

实施例2

一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，为以下步骤：

(1)将未浸泡的茶梗和去离子水在集热式恒温加热磁力搅拌器中混合，过滤后得到茶水溶液；所述未浸泡的茶梗和水的质量比为7：1000；所述混合的温度为80℃，混合的时间为2h；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，最后进行过滤和干燥得到茶提取物改性活性炭材料；所述活性炭为煤质柱状活性炭；所述茶水溶液和活性炭的质量比为1000：125；所述负压吸附的真空度为-0.07MPa，负压吸附的时间为180min；所述干燥在真空干燥箱中进行，干燥的时间为36h。

实施例3

一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，为以下步骤：

(1)将浸泡后的茶渣和去离子水在集热式恒温加热磁力搅拌器中混合，过滤后得到茶水溶液；所述浸泡后的茶渣和水的质量比为15：1000；所述混合的温度为60℃，混合的时间为10h；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，最后进行过滤和干燥得到茶提取物改性活性炭材料；所述活性炭为木质柱状活性炭；所述茶水溶液和活性炭的质量比为1000：150；所述负压吸附的真空度为-0.04MPa，负压吸附的时间为120min；所述干燥在真空干燥箱中进行，干燥的时间为72h。

实施例4

一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，为以下步骤：

(1)将未浸泡的茶梗和去离子水在集热式恒温加热磁力搅拌器中混合，过滤后得到茶水溶液；所述未浸泡的茶梗和水的质量比为30：1000；所述混合的温度为70℃，混合的时间为20h；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，最后进行过滤和干燥得到茶提取物改性活性炭材料；所述活性炭为煤质颗粒活性炭；所述茶水溶液和活性炭的质量比为1000：200；所述负压吸附的真空度为-0.09MPa，负压吸附的时间为60min；所述干燥在真空干燥箱中进行，干燥的时间为24h。

实施例5

一种茶提取物改性活性炭材料的制备方法，为以下步骤：

(1)将浸泡后的茶渣和去离子水在集热式恒温加热磁力搅拌器中混合，过滤后得到茶水溶液；所述浸泡后的茶渣和水的质量比为60：1000；所述混合的温度为90℃，混合的时间为30h；

(2)将所述步骤(1)得到的茶水溶液和活性炭混合后进行负压吸附，最后进行过滤和干燥得到茶提取物改性活性炭材料；所述活性炭为煤质颗粒活性炭；所述茶水溶液和活性炭的质量比为1000：240；所述负压吸附的真空度为-0.1MPa，负压吸附的时间为30min；所述干燥在真空干燥箱中进行，干燥的时间为48h。

对比例1

实施例1中所用的煤质颗粒活性炭。

对比例2

实施例2中所用的煤质柱状活性炭。

对比例3

实施例3中所用的木质柱状活性炭。

对比例4

实施例4中所用的煤质颗粒活性炭。

对比例5

实施例5中所用的木质柱状活性炭。

对实施例1～5得到的茶提取物改性活性炭材料中的茶提取物含量进行测试，其结果如表1所示：

表1实施例1～5得到的茶提取物改性活性炭材料中的茶提取物含量

将实施例1～5提供的茶提取物改性活性炭材料和对比例1～5提供的活性炭分别对甲醛进行吸附，所述吸附甲醛的条件完全相同，吸附的时间为1h，得到的去除效果如表2所示：

表2实施例1～5提供的茶提取物改性活性炭材料和对比例1～5提供的活性炭对甲醛的去除效果

由表1和表2可以看出，采用本发明的制备方法对活性炭进行改性处理后，能够大幅度增加活性炭对甲醛的吸附能力；同时对于同一种活性炭而言，并不是茶提取物含量越多，提升效果越好，这是因为茶提取物越多，会减少甲醛分子运动的通道，使得在同等时间内甲醛去除率要更低，更为严重的话会堵塞活性炭本身的孔洞，使活性炭内部许多孔洞成为闭孔，无法与甲醛相互作用。

图1为本发明实施例2制备得到的茶提取物改性活性炭材料和对比例2所用的煤质柱状活性炭的孔径分布图。由图1可以看出，采用本发明的制备方法对活性炭材料进行改性，能够增加活性炭微孔比例。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。