CN100569359C - 一种载氧化锌活性炭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种载氧化锌活性炭的制备方法，以载醋酸锌的废活性炭为原料，通过改变不同的加热速率、保温时间和合成气氛，控制载体活性炭孔径结构和醋酸锌分解速率来实现氧化锌形态及晶粒大小的控制。实现载氧化锌活性炭的生成。该工艺以固体废物为原料，成本低，其中醋酸锌均匀分布在活性炭之中，且与活性炭结合紧密；不使用有机分散剂、酸性或碱性溶液，无二次污染，易于工业化生产。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种载氧化锌活性炭的制备方法，属材料制备技术领域。
二、背景技术：
氧化锌作为一种宽禁带半导体，除了可以广泛应用于橡胶添加剂、气体传感器、紫外线遮蔽材料、变压器和多种光学装置外，还具有脱硫、杀菌、光催化等性能，这将使其在环境污染治理方面发挥重要的作用。例如在太阳光的照射下，它能分解有机物，并有抗菌和除臭作用，这一光催化性质已被广泛应用于纤维、化妆品、陶瓷、环境工程、玻璃和建材等工业中，在光催化降解偶氮类染料方面，O.Seven等在《Journal ofPhotochemistry and Photobiology A：Chemistry》2004年第165期报道氧化锌光催化效果甚至强于二氧化钛。
但是单一的氧化锌块体或球体表面的吸附性能差、材料比表面积小，存在着严重的光腐蚀，需要较长时间才能达到污染物完全降解。将氧化锌与适宜吸附能力的载体复合，通过他们的接触界面使目标分子由吸附位向活性位迁移并被降解，吸附作用可持续保持界面分子的过剩富集，从而提高催化降解效率。活性炭因具有巨大的比表面积和强大的吸附性能，对反应物种和反应产物的特殊吸附及脱附性能，具有特殊的孔腔空间立体选择性，采用活性炭作为氧化锌载体，是提高氧化锌利用率的有效途径之一。
现有的载氧化锌活性炭材料的制备方法的报道如下。王勇等人(公告号：CN1235679C)公开了使用酚醛树脂40-100份、光催化剂(二氧化钛或氧化锌等)10-50份、活化剂20-100份，通过配料、碳化和活化工序制备出光催化剂-酚醛树脂基活性炭复合材料。但该发明使用氢氧化钾、氯化锌和磷酸为活化剂，产品的洗涤液中含有大量的化学物质，污染环境，未见工业化报道，另外使用的光催化剂也价格昂贵。Osamu Yamamoto等在《carbon》2001年39期报道先使用树脂和[Zn(NH3)4]2+溶液充分混合24h，然后通过不同的温度煅烧，得到具有杀菌功能的载氧化锌多孔炭复合材料。但此种方法耗时长、成本高、生产规模有限。随后冯飞月在《功能材料》2006年37卷第9期提出先把硝酸锌形成微乳液，然后把活性炭和氢氧化钠与之充分混合，产物抽滤，洗涤干燥后在600℃下煅烧1小时得到载氧化锌活性炭复合材料。但试验中使用分析纯试剂，成本高，工艺复杂，产物抽滤后产生的碱性废水污染环境。最近N.Sobana等在《Solar Energy Materials&Solar Cells》2007年第91期报道不同比例的分析纯氧化锌和优质活性炭在水溶液中混合，搅拌3h，然后过滤，风干至室温，得到不同比例的载氧化锌活性炭材料，其中活性炭和氧化锌质量比为9∶1时具有较好的光催化性能，但该方法使用分析纯的氧化锌和优质的活性炭为原料，成本高，剩余的水溶液产生二次污染，采用机械搅拌混合法，氧化锌与活性炭结合不牢固，易于从活性炭上滑落。
综上所述，公知的载氧化锌活性炭材料的制备方法均以分析纯氧化锌或其前驱体和活性炭为原料，通过机械搅拌或氧化锌前驱体分解制得，此类方法中均没有涉及控制氧化锌晶粒的生长方法，如任由氧化锌生长，造成氧化锌晶粒团聚，堵塞活性炭载体的孔道，减少制备材料的比表面积，不利于目标分子由吸附位向活性位迁移，从而降低降解速率。另一方面，如何采用简单工艺制备载氧化锌活性炭材料是目前光催化材料实现工业化生产的关键问题，因此本发明提出的一种载氧化锌活性炭材料的制备方法具有重要的科学和实用价值。
三、发明内容：
本发明的目的是提供一种载氧化锌活性炭的制备方法，以载醋酸锌的废活性炭为原料，通过改变不同的加热速率、保温时间和合成气氛，控制载体活性炭孔径结构和醋酸锌分解速率来实现氧化锌形态及晶粒大小的控制。实现载氧化锌活性炭的生成。
本发明按以下步骤完成：
(1)以载醋酸锌废活性炭为原料，置于加热炉中并升温，温度在0～200℃时段，控制升温速率为40～50℃/min，实现快速升温，待温度上升到200℃时保温5～10min，本温度区间为水分挥发阶段，水蒸气由内向外急剧压出，使堵塞物松散；
(2)200～450℃时段，为醋酸锌分解阶段，控制升温速率5～8℃/min，同时按每千克原料通入流量为10～15cm3/min水蒸气，实现醋酸锌缓慢分解，为防止氧化锌晶粒团聚和晶粒长大，利于生成小晶粒氧化锌，待温度上升到450℃时保温10～15min；
(3)450～850℃时段，为残留有机物分解及被包裹醋酸锌的分解阶段，温度为450～700℃时，控制升温速率30～40℃/min，同时按每千克原料通入流量为100～200ml/min氮气，冲散分解产物，防止C与CO2反应，减少活性炭烧损。待温度上升到700℃时保温2～6min，继续升高温度到700～850℃时，降低升温速率到5～8℃/min，同时按每千克原料比例通入流量为6～15cm3/min水蒸气，温度到达800～850℃时保温5～15min，使被包裹的醋酸锌缓慢分解，同时水蒸气起到造孔作用，产生更多的微孔，使氧化锌均匀分布在为微孔之中，对氧化锌起到分散作用；
(4)停止加热后冷却，水洗至PH值为6.5～7.5，在110-115℃温度下干燥至水分含量在5wt％以下，得到氧化锌分布均匀，吸附性能强的载氧化锌活性炭材料。
原料中负载的醋酸锌在370℃时开始分解为氧化锌，此外水蒸气可作为活化剂造孔，可以使负载氧化锌的活性炭载体具有高比表面积和强吸附性能。
与公知技术相比的优点及积极效果：通过改变不同的加热速率、保温时间和合成气氛，控制载体活性炭孔径结构和醋酸锌分解速率来实现氧化锌形态及晶粒大小的控制；氧化锌均匀分布在活性炭之中，且与活性炭结合紧密，减少了其他制备方法中氧化锌或其前驱体与活性炭的混合工序，简化工艺；不使用有机分散剂、酸性或碱性溶液，从源头上杜绝了二次污染；以载醋酸锌废活性炭为原料变废为利。
四、附图说明：
图1是实施例1制备的载氧化锌活性炭材料的XRD谱图，图2是实施例1制备的载氧化锌活性炭材料的SEM图，图3实施例2制备的载氧化锌活性炭材料的XRD谱图，图4实施例2制备的载氧化锌活性炭材料的SEM图。
五、具体实施方式：
实施例1：首先称取50g载醋酸锌的废活性炭，投入管式炉装置中，0～200℃时：控制升温速率为40℃/min，实现快速升温，待温度上升到200℃时保温5min，然后降低升温速率为5℃/min，同时通入流量为0.6cm3/min水蒸气，待温度上升到450℃时保温10min，继续升温到从450～700℃时，控制升温速率30℃/min，快速升温，同时通入流量为5ml/min氮气，待温度上升到700℃时保温2min，然后降低升温速率到5℃/min，同时通入流量为0.5cm3/min水蒸气，待温度到达800℃时保温6min，然后冷却，水洗至PH值为6.8，干燥后得到产物的XRD和SEM分析见附图2～3。分析表明所得材料中出现了明显的氧化锌衍射峰，发现图中的各个衍射峰与典型的氧化锌晶体峰一致，证明所得材料中的氧化锌为六方晶系的纤锌矿结构。(002)特征峰都在34.5°附近。衍射峰比较尖锐且清晰，说明此时晶体其结晶性能较好，晶格较完整。由谢乐公式计算得到氧化锌晶粒大小为24nm，SEM图中看出，氧化锌晶粒较小，并且均匀分布在活性炭孔道之中。
实施例2：称取3000g载醋酸锌的废活性炭，投入回转窑装置中，0～200℃时，控制升温速率为45℃/min，实现快速升温，待温度上升到200℃时保温7min，然后降低升温速率为8℃/min，同时通入流量为30cm3/min水蒸气，待温度上升到450℃时保温13min，继续升温到从450～700℃时，控制升温速率35℃/min，快速升温，同时通入流量为350ml/min氮气，待温度上升到700℃时保温5min，然后降低升温速率到6℃/min，同时通入流量为20cm3/min水蒸气，待温度到达850℃时保温10min，然后冷却，水洗至PH值为7.0，干燥后得到产物的XRD和SEM图见附图4～5。分析表明材料中出现了明显的氧化锌衍射峰，发现图中的各个衍射峰与典型六方晶系的纤锌矿结构的氧化锌晶体峰一致，由谢乐公式计算得到氧化锌晶粒大小为26nm，SEM图中看出，氧化锌晶粒较小，分布均匀，没有堵塞活性炭孔道。
Claims (1)
1、一种载氧化锌活性炭的制备方法，其特征在于按以下步骤完成：
(1)以载醋酸锌废活性炭为原料，置于加热炉中并升温，温度在0～200℃时段，控制升温速率为40～50℃/min，待温度上升到200℃时保温5～10min；
(2)200～450℃时段，控制升温速率5～8℃/min，同时按每千克原料通入流量为10～15cm3/min水蒸气，待温度上升到450℃时保温10～15min；
(3)450～850℃时段，温度为450～700℃时，控制升温速率30～40℃/min，同时按每千克原料通入流量为100～200ml/min氮气，待温度上升到700℃时保温2～6min，继续升高温度，并降低升温速率到5～8℃/min，同时按每千克原料比例通入流量为6～15cm3/min水蒸气，温度到达800～850℃时保温5～15min；
(4)停止加热后冷却，水洗至pH值为6.5～7.5，在110-115℃温度下干燥至水分含量在5wt％以下，得到载氧化锌活性炭材料。
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| 负载纳米氧化锌多孔碳吸附剂的制备及其结构研究. 冯飞月，陈水挟.功能材料，第37卷第9期. 2006 |
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