一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法与应用

1.本发明属于材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法与应用，可以用于空气净化等领域。


背景技术：

2.pm2.5易富集重金属、有机致癌物、细菌病毒等，被人体随空气吸入后会引起肺炎、肺气肿甚至肺癌等疾病。室外pm2.5可通过自然渗透或机械通风进入建筑空间，降低室内空气质量，而城市居民80％的时间在室内度过，且老人、小孩和孕妇等特殊人群在室内度过的时间更长，严重危害身体健康。自然(nature)期刊发表论文显示，中国每年有130万人死于pm2.5污染，因此颗粒物已成为中国导致人死亡的第四大影响因素。
3.当前，室内空气pm2.5净化的主要方式是过滤，纤维材料是常见的过滤介质，但高效纤维过滤材料会造成过滤阻力增大，能耗过高。利用静电效应强化颗粒～纤维间的吸附力是实现低阻高效去除pm2.5的有效手段，现已开发出驻极体纤维过滤技术、颗粒预荷电过滤技术、纤维持续荷电过滤技术以及双电场颗粒～纤维双荷电过滤技术，其中，双电场双荷电是通过强化颗粒～纤维间的库仑力，增强纤维对亚微米及颗粒物的吸附能力，是当前最为有效的静电增强颗粒过滤技术。双电场双荷电过滤技术的核心在于纤维的介电性能，介电性能高的过滤材料在电场内被极化，纤维表面产生感应电荷，形成极化电场，上游颗粒荷电形式为电晕放电，荷电颗粒进入电场内受库仑力作用，被纤维捕集，从而提高pm2.5的过滤效率。感应电荷主要集中于纤维表面，因此可以在常规纤维表面构建介电涂层，制备满足需求的复合过滤材料。
4.此外，还在纤维喷涂或者富集石墨烯等，从而达到吸附等目的，如申请公开专利cn107974841a中，提及一种聚氨酯纤维空调滤网的制备方法，将石墨烯加入到庚烷中，得到石墨烯悬浮液；在搅拌条件下依次加入0.5-1l有机硅树脂、0.05-0.1l聚氨酯预聚体和5-10g固化剂，制成混合液；将聚氨酯纤维织物在十三氟辛基三乙氧基硅烷中浸提后自然晾干；将混合液均匀喷涂在聚氨酯纤维织物上，自然晾干得到聚氨酯纤维空调滤网。但是石墨烯价格较高，不利于大面积使用推广，同时石墨烯会堵塞过滤间隙/孔道，增大过滤阻力。
5.纳米生物质胶质炭应用于改性纤维领域一般采用熔融纺丝的方式：如申请公开专利cn114921868a中，提及一种纳米生物炭改性熔体直纺超细旦聚酯纤维的制备方法，在聚酯酯化反应结束后加入经改性修饰的纳米生物质炭材料，然后进行缩聚反应，并将缩聚反应后的聚酯熔体进行纺丝制得纳米生物炭改性熔体直纺超细旦聚酯纤维。
6.尽管这种制备方法中纳米生物质胶质炭的混合程度高，但由于生物炭粉体的分散原因，生物质炭无法实现在纤维表面均匀负载，纤维的介电性能不高。


技术实现要素：

7.1.要解决的问题
8.针对上述的技术问题，解决现有生物炭在纤维表面分散不均匀的问题，本发明的
目的是提供一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法，在保证过滤阻力不增加的前提下，使得生物炭在纤维表面分散均匀，得到高介电性能的过滤材料。
9.本发明的另一目的是提供具有上述炭颗粒/纤维复合过滤材料的过滤元件，以及具有上述的过滤装置，用于空气净化领域。
10.2.技术方案
11.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
12.本发明的生物质制备的炭颗粒/纤维复合过滤材料，包括纤维和纳米炭颗粒，所述纳米炭颗粒与纤维的质量比为1:100～1:500；其中所述纤维的直径为10～100μm；
13.在纤维表面原位缩聚形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，所述纳米炭颗粒平均粒径为100～700nm，所述炭薄层的厚度为100～700nm，其在纤维表面的包覆率为95％以上，且在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联。
14.上述的炭薄层交联，可以理解为相邻或者临近的纤维上的炭颗粒薄层向四周生长，从而大面积的覆盖在纤维的表面，填充了多根纤维的间隙/孔隙(纤维具有供气体通过的间隙/孔道)。
15.于本发明一种可能实施方式中，纳米炭颗粒为球形。
16.于本发明一种可能实施方式中，在纤维表面原位聚合均匀形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，所述炭颗粒在纤维表面均匀分布的检测方法为：所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料在不同部位随机取n个样品，n为大于或等于10的正整数，分析炭颗粒在纤维表面的含量，所述n个样品中炭颗粒的含量的变异系数≤8％。
17.于本发明一种可能实施方式中，所述纤维选自丙交酯聚合物纤维、乙交酯聚合物纤维、聚酯纤维(简称涤纶(pet))、聚酰胺纤维(简称耐纶、锦纶、尼龙(pa))、聚丙烯纤维(简称丙纶(pp))、聚乙烯纤维(pe)、聚氯乙烯纤维(简称氯纶(pvc))、聚丙烯腈纤维(简称腈纶、人造羊毛)、粘胶纤维、聚氨酯纤维(pu)的任意一种或者多种。
18.本发明还提供了一种上述炭颗粒/纤维复合过滤材料制备方法，所述的制备方法为原位生长法，所述原位生长法包括步骤如下：
19.步骤s1、烘干：将生物质原材料去除杂质，并干燥处理得到生物质材料a；
20.步骤s2、浓酸水解：取一定量步骤s1得到的生物质材料a与浓硫酸，促进强酸充分水解纤维素、半纤维素为还原糖，按5～30g/ml的比例混合；在40～50℃条件下充分搅拌，水解时间为15～20min，得到混合液b；在此固液比的前提下，生物质材料a的纤维素能够加速水解，提高了水解的速度。
21.步骤s3、稀释分离：向步骤s2中得到的混合液b中加入蒸馏水，稀释硫酸浓度质量分数为32％～42％，并进行固液分离，得到糖酸溶液c；
22.步骤s4、制备复合纤维：选择合适的纤维浸入步骤s3中制备的糖酸溶液中，在常压条件下，放置于85～95℃的干燥箱中，进行还原糖的炭化反应5～7h，在纤维表面形成致密且均匀的生物质纳米炭薄层，得到炭颗粒/纤维复合过滤材料；
23.此时，酸作为催化剂、脱水剂促进糖分子脱水、缩聚，并进行还原糖的炭化反应，在纤维表面形成一层致密且均匀的生物质纳米球状炭薄层，以达到改性纤维具备高介电性能的目的。
24.于本发明一种可能实施方式中，步骤s2中，所述生物质包括但不限于稻壳、秸秆、
杨絮、椰子壳。
25.于本发明一种可能实施方式中，步骤s2中，所述浓硫酸的质量分数为62％～82％，上述浓硫酸比例过低会导致水解效率不高，浓硫酸比例过高会导致纤维素和半纤维素炭化明显，影响还原糖产率。
26.于本发明一种可能实施方式中，步骤s4中，所述纤维选自丙交酯聚合物纤维、乙交酯聚合物纤维、聚酯纤维(简称涤纶(pet))、聚酰胺纤维(简称耐纶、锦纶、尼龙(pa))、聚丙烯纤维(简称丙纶(pp))、聚乙烯纤维(pe)、聚氯乙烯纤维(简称氯纶(pvc))、聚丙烯腈纤维(简称腈纶、人造羊毛)、粘胶纤维、聚氨酯纤维(pu)的任意一种或者多种。
27.于本发明一种可能实施方式中，步骤s4中，所述炭颗粒在纤维表面均匀分布的检测方法为：所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料在不同部位随机取n个样品，n为大于或等于10的正整数，分析炭颗粒在纤维表面的含量，所述n个样品中炭颗粒的含量的变异系数≤8％。
28.本发明还提供了一种过滤元件，包括分别连接正电极和地极的平行金属网，所述金属网中间夹设有上述的炭颗粒/纤维复合过滤材料，通过极化效应产生感应电荷，捕获荷电后的细颗粒物。
29.3.有益效果
30.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
31.(1)本发明的炭颗粒/纤维复合过滤材料，纳米炭颗粒均匀的覆盖在纤维表面，均匀分布的纳米炭颗粒提高将纤维的相对介电常数εr由1.26提升至4.74；炭颗粒比表面积大，对亚微米级细颗粒物的捕获能力强，适用于极化电场内的pm2.5高效过滤，同时由于炭颗粒粒径为纳米级别，在纤维表面是一层致密且均匀的薄层结构，且在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联，因此不会堵塞纤维孔道，造成额外过滤阻力增加，使得复合材料同时具备高效、低阻、高介电性能特性；
32.(2)本发明的炭颗粒/纤维复合过滤材料制备方法，在纤维表面形成原位缩聚、炭化生成平均粒径为100～700nm的絮状炭颗粒，原位缩聚炭化可获得粒度均一的纳米炭材料，且形貌结构可根据炭化时间进行精准调控；
33.(3)本发明将纳米生物质胶质炭制备与过滤材料相结合，来实现高效、低成本，操作简单的纳米生物质胶质炭～纤维复合材料的制备流程；
34.(4)本发明的炭颗粒/纤维复合过滤材料应用于双电场双荷电室内空气颗粒物过滤；具有高介电性能的生物质纳米炭在电场中被极化产生感应电荷，形成外电场捕获荷电颗粒，同时生物质炭所具备的臭氧分解能力能将电晕放电产生的臭氧吸附分解。
附图说明
35.以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
36.图1为本发明基于原位生长流程示意图；
37.图2为本发明制备的致密、均匀生物质纳米炭@过滤纤维示意图；
38.图3为本发明酸水解原位脱水缩聚炭化纳米炭球颗粒sem图；
39.图4为本发明双电场双荷电空气过滤装置示意图。
具体实施方式
40.下文对本发明的示例性实施例进行了详细描述。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
41.本发明制备的纳米炭颗粒/纤维复合过滤材料应用双电场双荷电空气过滤技术于能够有效的去除室内空气中的pm2.5、o3等，其原料来源广泛，环境友好，同时在催化剂和吸附剂领域有着广泛的应用前景。
42.众所周知在多晶石墨的情况下，相对介电常数随晶粒尺寸的倒数线性增加，纳米级尺寸的石墨具有高介电常数特性，能够提升过滤纤维内部局部感应电场范围和强度，虽然采用石墨烯可以提高介电常数，但是石墨烯不仅价格高，而且不易控制石墨烯的生长情况，导致过滤材料的孔隙率无法达到要求，导致过滤纤维的使用情况受限。
43.本发明炭颗粒/纤维复合过滤材料的制备方法，上述的制备方法为原位生长法，具体原位生长法包括步骤如下：
44.步骤s1、烘干：将生物质原材料去除杂质，并干燥处理得到生物质材料a；生物质包括但不限于稻壳、秸秆、杨絮、椰子壳，优选的为稻壳，稻壳中含有较多的纤维素、半纤维素；
45.步骤s2、浓酸水解：取一定量步骤s1得到的生物质材料a与浓硫酸，上述浓硫酸的质量分数为62％～82％，上述浓硫酸比例过低会导致水解效率不高，浓硫酸比例过高会导致纤维素和半纤维素炭化明显，影响还原糖产率；促进强酸充分水解纤维素、半纤维素为还原糖，按5～30g/ml的比例混合；在40～50℃条件下充分搅拌，水解时间为15～20min，得到混合液b；在此固液比的前提下，生物质材料a的纤维素能够加速水解，提高了水解的速度；
46.步骤s3、稀释分离：向步骤s2中得到的混合液b中加入蒸馏水，稀释硫酸浓度质量分数为32％～42％，并进行固液分离，得到糖酸溶液c；
47.步骤s4、制备复合纤维：选择合适的纤维浸入步骤s3中制备的糖酸溶液中，在常压条件下，放置于85～95℃的干燥箱中，进行还原糖的炭化反应5～7h，在纤维表面形成致密且均匀的生物质纳米炭薄层，得到炭颗粒/纤维复合过滤材料。此时，溶液中的酸作为催化剂、脱水剂促进糖分子脱水、缩聚，并进行还原糖的炭化反应，在纤维表面形成一层致密且均匀的生物质纳米炭薄层，以达到改性纤维具备高介电性能的目的。
48.需要说明的是，根据现有技术理解，高分子纤维基材需要在强碱性条件下与含羟基的物质接枝或者粘附(利用氢键作用力)，但是本发明生物质中的纤维素水解需要在酸性条件下进行，且采用在酸性环境中，选择耐酸的高分子纤维，无需向糖酸溶液中加入碱液进行调节ph，同时采用原位生长的方法在纤维表面形成炭薄层，在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联，纤维孔道畅通，过滤阻力小，使得复合过滤材料同时具备高效、低阻、高介电性能特性。
49.分析可能的原因是：在糖酸溶液中，将温度设置为85～95℃，纤维基材较容易被膨胀拉伸，从而使得纤维基材的羟基官能团暴露，溶液中存在大量的氢离子，羟基官能团被氢离子包围，具有羟基的还原糖与纤维基材之间的氢键作用力下降，大量的还原糖游离在溶
液中，部分粘附在纤维基材表面的还原糖，在酸作用下快速脱水、缩聚发生炭化反应，进而为还原糖继续炭化提供了位点，游离的还原糖围绕位点炭颗粒生长形成炭薄层的二维结构。
50.上述的致密性检测方法：可以利用场发射sem及其配备的eds对纤维的形貌和表面元素分布进行了观测分析，确定是否致密。经检测，本发明的制备得到的炭颗粒/纤维复合过滤材料，其上的炭薄层致密性较好。
51.上述炭颗粒在纤维表面均匀分布的检测方法为：上述的炭颗粒/纤维复合过滤材料在不同部位随机取n个样品，n为大于或等于10的正整数，分析炭颗粒在纤维表面的含量，上述n个样品中炭颗粒的含量的变异系数≤8％。变异系数(coefficient of variance)又称“标准差率”，为标准差与平均数的比值乘以100％。变异系数是反映数据离散程度的绝对值，变异系数值越小，数据的离散程度越小，表明在纤维表面各处炭颗粒的含量相差越小，炭颗粒在纤维表面的分布越均匀。
52.例如，炭颗粒/纤维复合过滤材料在不同部位随机取10个样品，可得10个样品中炭颗粒在纤维上的平均含量为25wt％，样品标准差为0.1wt％，变异系数为0.4％，可以认为所述炭颗粒在纤维表面均匀分布。
53.本发明纳米生物质胶质炭不仅比表面积大、吸附性强、耐腐蚀、耐高温、化学性质稳定，同时具有优良的介电性能，纳米球形炭颗粒与纤维的质量比为1:100～1:500；其中纤维的直径为10～100μm；在纤维表面原位缩聚形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，纳米炭颗粒平均粒径为100～700nm，炭薄层的厚度为100～500nm，其在纤维表面的包覆率为95％以上，结合图2可以看出，且在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联。
54.上述的炭薄层交联可以理解为相邻或者临近的纤维上的炭颗粒薄层向四周生长，从而大面积的覆盖在纤维的表面，填充了多根纤维的间隙/孔道(纤维具有供气体通过的间隙/孔道)。
55.经过比表面积及孔径分析仪器检测，本发明的炭颗粒/纤维复合过滤材料在保持孔隙率为85.4％的前提下，其介电常数达到4.74，相比现有技术的介电常数提高了3.48(均匀分布的纳米炭颗粒提高将纤维的相对介电常数εr由1.26提升至4.74)。
56.此外，本发明原位缩聚炭化制备的生物质纳米炭具有多孔结构，比表面积大，可提升纤维容尘量，延长过滤器的使用寿命；生物质炭强大的吸附能力导致局部位置o3富集，催化还原o3为o2，脱除颗粒物的同时可协同去除颗粒荷电场电晕放电产生的臭氧。
57.上述纤维具有一定的耐酸性，选自丙交酯聚合物纤维、乙交酯聚合物纤维、聚酯纤维(简称涤纶(pet))、聚酰胺纤维(简称耐纶、锦纶、尼龙(pa))、聚丙烯纤维(简称丙纶(pp))、聚乙烯纤维(pe)、聚氯乙烯纤维(简称氯纶(pvc))、聚丙烯腈纤维(简称腈纶、人造羊毛)、粘胶纤维、聚氨酯纤维(pu)的任意一种或者多种。优选为聚酯纤维(简称涤纶(pet))、聚酰胺纤维(简称耐纶、锦纶、尼龙(pa))和聚氨酯纤维(pu)，其中：
58.上述的聚酯纤维是指由同时具有羟基和羧基的单体经缩聚而成的聚，或由脂肪族二元酸和脂肪族二元醇经缩聚而成聚酯，或由脂肪族内酯经开环聚合而成的聚酯或共聚酯，脂肪族聚酯分子量为50000～250000。上述同时具有羟基和羧基的单体经缩聚而成的聚酯为经乳酸直接缩聚而成的聚乳酸；上述由脂肪族二元酸和脂肪族二元醇经缩聚合而成的聚酯为聚丁二酸丁二醇酯、聚癸二酸己二醇酯、聚丁二酸乙二醇酯或聚丁二酸已二醇酯；由
脂肪族内酯经开环聚合而成的聚酯为由丙交酯开环聚合而成的聚乳酸、由己内酯开环聚合而成的聚己内酯；共聚酯为聚乙丙交酯。
59.上述的聚酰胺纤维是指由二胺和二酸缩聚而得的聚己二酸己二胺，其长链分子的化学结构式为：h-[hn(ch2)xnhco(ch2)yco]
n-oh；或由己内酰胺缩聚或开环聚合得到的，其长链分子的化学结构式为：h-[nh(ch2)xco]
n-oh。
[0060]
上述的聚氨酯纤维为末端含有羟基的聚酯或聚醚和芳香族二异氰酸酯的嵌段共聚物。它由柔性的长链段(软性链段)和刚性的短链段(刚性链段)交替组成。软性链段为不具结晶性的低分子量聚酯或聚醚链段，在应力作用下容易形变，从而使制得的纤维可被拉伸变形；刚性链段则是具结晶性并能产生横向交联的芳香族二异氰酸酯链段，在应力作用下不产生形变，可防止横向滑移，并使制得的纤维有足够的回弹性。聚氨酯纤维链段结构中软性链段含量一般不低于80％～85％，根据软性链段的组分，可分为聚酯型和聚醚型两种：美国杜邦公司生产聚醚型的，美国合成橡胶公司则生产聚酯型的。
[0061]
实施例1
[0062]
本实施例的炭颗粒/纤维复合过滤材料的制备方法，称取10g干燥稻壳与100ml质量分数72％的硫酸混合，50℃水浴条件下搅拌10min，固液分离后滤液为含糖类和酸类的糖酸液；加水稀释糖酸液，将硫酸质量分数调节至42％，并pu纤维完全浸没，常压条件下，在95℃干燥箱内，发生脱水、缩聚、炭化反应5h，胶质炭在pu纤维表面形成平均粒径为300nm的纳米级絮状炭球颗粒，纳米级絮状炭球颗粒连续排列形成700nm的炭薄层。
[0063]
本实施例制备的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料过滤室内空气亚微米级颗粒物，以采用室外颗粒作为污染源，风速控制为v＝1.1m/s，实验条件为：t＝34～36℃，相对湿度23％～29％，放电电压u1＝+9kv，极化电压u2＝+21kv，上述的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料对0.3μm颗粒物的过滤效率，如下表所示。
[0064][0065]
实施例2
[0066]
本实施例的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料的制备方法，称取10g干燥稻壳与100ml质量分数82％的硫酸混合，45℃水浴条件下搅拌10min，固液分离后滤液为含糖类和酸类的糖酸液；加水稀释糖酸液，将硫酸质量分数调节至36％，并pu纤维完全浸没，常压条件下，在95℃干燥箱内，发生脱水、缩聚、炭化反应6h，胶质炭在pu纤维表面形成平均粒径为400nm的纳米级絮状炭球颗粒，纳米级絮状炭球颗粒连续排列形成600nm的炭薄层。
[0067]
本实施例制备的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料维过滤室内空气亚微米级颗粒物，以采用室外颗粒作为污染源，风速控制为v＝1.1m/s，实验条件为：t＝34～36℃，相对湿度23％～29％，放电电压u1＝+9kv，极化电压u2＝+21kv，上述的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料对0.3μm颗粒物的过滤效率，如下表所示。
[0068][0069]
实施例3
[0070]
本实施例的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料的制备方法，称取10g干燥椰子壳与100ml质量分数76％的硫酸混合，40℃水浴条件下搅拌20min，固液分离后滤液为含糖类和酸类的糖酸液；加水稀释糖酸液，将硫酸质量分数调节至32％，并过滤纤维完全浸没，常压条件下，在95℃干燥箱内，发生脱水、缩聚、炭化反应6h，在pu纤维表面形成平均粒径为200nm的纳米级絮状炭球颗粒，纳米级絮状炭球颗粒连续排列形成500nm的炭薄层。
[0071]
本实施例制备的炭颗粒/pu纤维复合过滤材料过滤室内空气亚微米级颗粒物，以采用室外颗粒作为污染源，风速控制为v＝1.1m/s，实验条件为：t＝34～36℃，相对湿度23％～29％，放电电压u1＝+9kv，极化电压u2＝+21kv，上述炭颗粒/pu纤维复合过滤材料对0.3μm颗粒物的过滤效率，如下表所示。
[0072][0073]
实施例4
[0074]
本实施例的炭颗粒/pet纤维复合过滤材料的制备方法，称取10g干燥秸秆与100ml质量分数62％的硫酸混合，50℃水浴条件下搅拌10min，固液分离后滤液为含糖类和酸类的糖酸液；加水稀释糖酸液，将硫酸质量分数调节至42％，并pet纤维完全浸没，常压条件下，在90℃干燥箱内，发生脱水、缩聚、炭化反应6h，在pet粗效纤维表面形成平均粒径为500nm的纳米级絮状炭球颗粒，纳米级絮状炭球颗粒连续排列形成700nm的炭薄层。
[0075]
本实施例制备的炭颗粒/pet纤维复合过滤材料过滤室内空气亚微米级颗粒物，以采用室外颗粒作为污染源，风速控制为v＝1.1m/s，实验条件为：t＝34～36℃，相对湿度23％～29％，放电电压u1＝+9kv，极化电压u2＝+21kv，上述的炭颗粒/pet纤维复合过滤材料对0.3μm颗粒物的过滤效率，如下表所示。
[0076][0077]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种炭颗粒/纤维复合过滤材料，包括纤维和纳米炭颗粒，其特征在于：所述纳米炭颗粒与纤维的质量比为1:100～1:500；其中所述纤维的直径为10～100μm；在纤维表面原位缩聚形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，所述纳米炭颗粒平均粒径为100～700nm；所述炭薄层的厚度为100～700nm，且在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联。2.根据权利要求1所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料，其特征在于：纳米炭颗粒为球形。3.根据权利要求1所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料，其特征在于：在纤维表面原位聚合均匀形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，所述炭颗粒在纤维表面均匀分布的检测方法为：所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料在不同部位随机取n个样品，n为大于或等于10的正整数，分析炭颗粒在纤维表面的含量，所述n个样品中炭颗粒的含量的变异系数≤8％。4.根据权利要求1所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料，其特征在于：所述纤维选自丙交酯聚合物纤维、乙交酯聚合物纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、聚氨酯纤维的任意一种或者多种。5.一种如权利要求1～4任一项所述炭颗粒/纤维复合过滤材料制备方法，其特征在于：所述的制备方法为原位生长法，所述原位生长法包括步骤如下：步骤s1、烘干：将生物质原材料去除杂质，并干燥处理得到生物质材料a；步骤s2、浓酸水解：取一定量步骤s1得到的生物质材料a与浓硫酸，按5～30g/ml的比例混合；在40～50℃条件下充分搅拌，水解时间为15～20min，得到混合液b；步骤s3、稀释分离：向步骤s2中得到的混合液b中加入蒸馏水，稀释硫酸浓度质量分数为32％～42％，并进行固液分离，得到糖酸溶液c；步骤s4、制备复合纤维：选择合适的纤维浸入步骤s3中制备的糖酸溶液中，在常压条件下，放置于85～95℃的干燥箱中，进行还原糖的炭化反应5～7h，在纤维表面形成致密且均匀的生物质纳米炭薄层，得到炭颗粒/纤维复合过滤材料。6.根据权利要求5述的所述炭颗粒/纤维复合过滤材料方法，其特征在于：步骤s2中，所述生物质包括但不限于稻壳、秸秆、杨絮、椰子壳。7.根据权利要求5述的所述炭颗粒/纤维复合过滤材料方法，其特征在于：步骤s2中，所述浓硫酸的质量分数为62％～82％。8.根据权利要求5述的所述炭颗粒/纤维复合过滤材料方法，其特征在于：步骤s4中，所述纤维选自丙交酯聚合物纤维、乙交酯聚合物纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、聚氨酯纤维的任意一种或者多种。9.根据权利要求5述的所述炭颗粒/纤维复合过滤材料方法，其特征在于：步骤s4中，所述炭颗粒在纤维表面均匀分布的检测方法为：所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料在不同部位随机取n个样品，n为大于或等于10的正整数，分析炭颗粒在纤维表面的含量，所述n个样品中炭颗粒的含量的变异系数≤8％。10.一种过滤元件，包括分别连接正电极和地极的平行金属网，其特征在于：所述金属网中间夹设有权利要求1～4任一项所述的炭颗粒/纤维复合过滤材料，通过极化效应产生感应电荷，捕获荷电后的细颗粒物。

技术总结
本发明公开了一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法与应用，属于材料制备技术领域。包括纤维和纳米炭颗粒，纳米炭颗粒与纤维的质量比为1:100～1:500；其中纤维的直径为10～100μm；在纤维表面原位缩聚形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，纳米炭颗粒平均粒径为100～700nm，炭薄层的厚度为100～700nm，其在纤维表面的包覆率为95％以上，且在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联。纳米炭颗粒均匀的覆盖在纤维表面，均匀分布的纳米炭颗粒提高了纤维的介电常数；炭颗粒比表面积大，对亚微米级细颗粒物的捕获能力强，适用于极化电场内的高效过滤，使得复合材料同时具备高效、低阻、高介电性能特性。高介电性能特性。高介电性能特性。


技术研发人员：徐俊超 张云飞 周昊 谢一鸣 冯臻基 胡方越
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/7/17