CN101367034A - 一种纳米漂浮型负载光催化剂及其低温制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米漂浮型负载光催化剂及其低温制备方法和应用，该方法首先将钛酸丁酯的乙醇溶液与空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠进行异相水解反应，形成含水TiO₂/飘珠；然后将含水TiO₂/飘珠和水混合，晶化反应后冷却，过滤，洗涤干净，真空干燥，得到光催化剂。本发明既可以低温条件下得到高活性光催化剂，又可以避免漂浮型负载光催化剂的高温后处理步骤，有效降低制备过程中能源的消耗。同时还避免了后续负载催化剂高温烧结过程中载体的坍塌和催化剂的团聚，又可高效实现光催化降解水面漂浮的油类等有机污染物。

Description

一种纳米漂浮型负载光催化剂及其低温制备方法和应用

技术领域

本发明属于光催化剂材料领域，特别涉及一种纳米漂浮型负载光催化剂及其低温制备方法和在环境方面的应用。

背景技术

近年来利用半导体粉末作为光催化剂降解各类有机污染物的研究引起了国内外不同领域学者的重视，以TiO₂为代表的半导体光催化技术已经成为环境等领域中最活跃的研究领域之一。但是光催化技术一直没有在废水处理上技术中大规模使用。工程应用中存在的主要问题之一就是悬浮体系中粉末催化剂难以分离回收，同时纳米粉末光催化剂容易发生聚集，使光催化效果变差。研究发现，将催化剂固定在一定的基材上，制备负载型催化剂是解决催化剂分离回收的一种有效途径。因此将纳米粉末光催化剂固定在载体上目前已成为半导体光催化研究与应用的热点之一。另一方面，众所周知，水面漂浮的有机污染物如石油等的有效去除则又是水体污染治理的一个难点。目前漂浮有机物的处理主要采用物理方法、微生物法等方法进行清除，物理方法如机械清除法、气浮法、吸附法和油层分散蒸发法等。但是机械清除法、气浮法和吸附法对一些油层薄的地区不适宜且清除费用昂贵，而油层分散蒸发法又是“污染转移”，可能造成对大气的二次污染；微生物法处理对漂浮有机物的效果并不明显，且存在处理时间长、处理成本高等问题。而光催化技术作为一种高级氧化技术，反应快速，效果好，不带来二次污染，有望使用该技术清除水面漂浮的有机污染物。但是一般的粉末和负载型催化剂在光催化降解水面漂浮有机污染物常常效果并不明显，这是因为光催化剂一般悬浮于水体中，甚至沉入水底，而污染物却漂浮在水体表面，从而导致光催化剂和漂浮有机污染物接触并不充分。因此为了有效利用光催化技术清除水面漂浮油类等有机污染物，开发和制备漂浮型光催化剂就显得非常必要和意义重大。近年来已有少量研究者制备并使用漂浮型光催化剂对水面漂浮的污染物进行光催化降解研究。但是他们在制备光催化剂的过程中均使用了高温煅烧的方法，在煅烧过程中必然可能对载体的多孔或者空心结构产生一定程度的破坏，影响光催化剂的漂浮性能，同时煅烧过程也导致载体表面TiO₂分布不够均匀，粒度范围容易宽化，从而影响光催化剂的活性。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述纳米漂浮型负载光催化剂的低温制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述纳米漂浮型负载光催化剂在环境保护方面的应用。

本发明以粉煤灰中分离出来的空心微球飘珠为载体，采用一种简单的低温异相水解法在较低的温度下水热合成了纳米漂浮型负载光催化剂(TiO₂/飘珠光催化剂)，并通过光催化降解正癸烷为模型反应，研究了该纳米漂浮型负载光催化剂的催化性能，同时与P25 TiO₂悬浮体系的光催化效率相对比，本发明制备的纳米漂浮型负载光催化剂降解正癸烷的能力远远大于P25 TiO₂悬浮体系。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种纳米漂浮型负载光催化剂的低温制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.02～0.5mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将5～200ml钛酸丁酯的乙醇溶液与0.1～10g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠。

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠于异相水解装置上进行异相水解反应，形成含水TiO₂/飘珠。

(3)重复步骤(1)和步骤(2)0～9次，可以得到负载次数为1～10次的含水TiO₂/飘珠。将负载次数为1～10次的含水TiO₂/飘珠和蒸馏水按1:1～1:10的质量比混合，在100～220℃保温2～24小时进行晶化；反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤干净，在40～120℃真空干燥，得到纳米TiO₂/飘珠光催化剂即纳米漂浮型负载光催化剂。

所述步骤(2)中异相水解反应条件为：空气流量为100～800ml/min，水解反应温度100～160℃，水解反应0.5～24小时。

一种纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂，就是通过上述制备方法制备而成。

上述纳米漂浮型负载光催化剂在废水处理特别是处理水面漂浮有机污染物方面的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明方法能在低温下制备纳米漂浮型负载光催化剂，既可以低温条件下得到高活性光催化剂，又可以避免漂浮型负载光催化剂的高温后处理步骤，有效降低制备过程中能源的消耗，同时还避免了后续负载光催化剂高温烧结过程中载体的坍塌和催化剂的团聚；更重要的是通过光催化剂的负载化还有效解决了光催化技术应用于废水处理时粉末光催化剂分离回收的难题，从而可以高效实现光催化降解水面漂浮的油类等有机污染物。本发明通过异相水解低温水热两步法，简单方便地将纳米TiO₂有效地负载在飘珠表面，成功地制备出TiO₂/飘珠漂浮光催化剂，该催化剂能较长时间漂浮于水面，其光催化活性较高，在太阳光照射下，7小时能降解97.3％的正癸烷，降解正癸烷的能力远远大于P25TiO₂的悬浮体系。本发明制备的纳米漂浮型负载光催化剂在太阳光下能有效光催化降解水面漂浮有机污染物，是一种有效的漂浮光催化剂，在废水处理、特别是处理水面漂浮有机污染物方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1为异相水解装置。

其中，1、空气钢瓶，2、水浴加热装置，3、石英反应管，4、砂芯，5、样品，6、加热控温炉。

图2为纳米TiO₂/飘珠光催化剂和飘珠原样的XRD图谱。

图3为纳米TiO₂/飘珠光催化剂降解正癸烷的动力学图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明所涉及的主要试剂：

空心微球飘珠(其化学组成为SiO₂ 53.7％，Al₂O₃ 32.3％，K₂O 2.3％，Na₂O3.8％，粒径约为100～120μm，密度约为0.37g·cm^-3)，从粉煤灰中分离出来的。钛酸丁酯，乙醇和正癸烷均为分析纯试剂。

实施例1

一种纳米漂浮型负载光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.1mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将50ml钛酸丁酯的乙醇溶液与10g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠。

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠装入石英反应管3中于图1所示的异相水解装置上进行异相水解反应，反应时空气流量为400ml/min，水浴温度为60℃，水解反应温度130℃，水解反应6小时后形成含水TiO₂/飘珠。图1为异相水解装置，由空气钢瓶1、水浴加热装置2、石英反应管3、砂芯4(砂芯4置于石英反应管3的端口处，为了防止漂珠随气流而移动)和加热控温炉6组成，在石英反应管3内装有已经负载了钛酸丁酯的空心微球飘珠5。

(3)重复上述的步骤(1)的钛酸丁酯负载和步骤(2)的异相水解反应过程9次，可以得到负载次数为10次的含水TiO₂/飘珠。然后将含水TiO₂/飘珠和蒸馏水按1:5的质量比混合加入100ml的高压反应釜中，在160℃下保温12小时进行晶化。反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤，随后在60℃的真空电热恒温干燥箱中烘干，即得到纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

采用X-射线衍射分析(XRD)确定所制备的纳米TiO₂/飘珠光催化剂的物相组成和晶粒大小。图2是没有负载TiO₂的飘珠原样，以及负载次数为10次的TiO₂/飘珠催化剂的XRD图谱，由图可以看出载体飘珠表面负载的TiO₂为10.1nm的纳米级锐钛矿晶型。

实施例2

一种纳米漂浮型负载光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.1mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将50ml钛酸丁酯的乙醇溶液与10g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠。

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠装入石英反应管中于图1所示的异相水解装置上进行异相水解反应，反应时空气流量大约为400ml/min，水浴温度为60℃，水解反应温度130℃，水解反应8小时后形成含水TiO₂/飘珠。

(3)重复上述的步骤(1)钛酸丁酯负载和步骤(2)异相水解反应过程6次，可以得到负载次数为7次的含水TiO₂/飘珠。然后将含水TiO₂/飘珠和蒸馏水按1:5的质量比混合加入100ml的高压反应釜中，在100℃下保温24小时进行晶化。反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤，随后在60℃的真空电热恒温干燥箱中烘干，即得到8.8nm的纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

实施例3

一种纳米漂浮型负载光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.1mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将50ml钛酸丁酯的乙醇溶液与10g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠。

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠装入石英反应管中于图1所示的异相水解装置上进行异相水解反应，反应时空气流量大约为400ml/min，水浴温度为60℃，反应温度130℃，水解反应6小时后形成含水TiO₂/飘珠。

(3)重复上述的步骤(1)钛酸丁酯负载和步骤(2)异相水解反应过程3次，可以得到负载次数为4次的含水TiO₂/飘珠。然后将含水TiO2/飘珠和蒸馏水按1:10的质量比混合加入200ml的高压反应釜中，在220℃下进行晶化2小时。反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤，随后在60℃的真空电热恒温干燥箱中烘干，即得到5.8nm的纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

实施例4

一种纳米漂浮型负载光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.02mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将5ml钛酸丁酯的乙醇溶液与0.1g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠。

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠装入石英反应管中于图1所示的异相水解装置上进行异相水解反应，反应时空气流量大约为800ml/min，水浴温度为40℃，反应温度100℃，水解反应24小时后即得到负载次数为1次的含水TiO₂/飘珠。

(3)然后将含水TiO₂/飘珠和蒸馏水按1:1的质量比混合加入100ml的高压反应釜中，在100℃下保温24小时进行晶化。反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤，随后在120℃的真空电热恒温干燥箱中烘干，即得到5.4nm的纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

实施例5

一种纳米漂浮型负载光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.5mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将200ml钛酸丁酯的乙醇溶液与8g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠。

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠装入石英反应管中于图1所示的异相水解装置上进行异相水解反应，反应时空气流量大约为100ml/min，水浴温度为100℃，水解反应温度160℃，水解反应0.5小时后形成含水TiO₂/飘珠。

(3)重复上述的步骤(1)钛酸丁酯负载和步骤(2)异相水解反应过程4次，可以得到负载次数为5次的含水TiO₂/飘珠。然后将含水TiO₂/飘珠和蒸馏水按1:8的质量比混合加入100ml的高压反应釜中，在220℃下保温2小时进行晶化。反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤，随后在40℃的真空电热恒温干燥箱中烘干，即得到7.2nm的纳米漂浮型负载光催化剂即纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

实施例6 光催化实验

在15.0cm培养皿中依次加入100ml去离子水、2.0ml正癸烷和2.0g TiO₂/飘珠光催化剂，可以看到纳米TiO₂/飘珠光催化剂能平铺地漂浮在水面上。盖上盖后，放置于楼顶以太阳光作为光源照射反应体系，在9:00-16:00期间光照反应7小时。反应结束后，计算正癸烷的光解率η。作为对比，同时研究了以P25 TiO₂做为光催化剂的悬浮体系的光催化效率。

$\mathrm{\η}=\frac{({\mathrm{\χ}}_0-\mathrm{\χ})}{{\mathrm{\χ}}_0}\×100\%$

式中:X为光照时间t后反应液中正癸烷的含量，X₀为光照前反应液中正癸烷的含量。

光催化降解正癸烷实验中选用负载10次160℃下晶化6h TiO₂/飘珠作为光催化剂(实施例1制备的纳米漂浮型负载光催化剂)。在太阳光照射下，反应溶液中正癸烷含量随光照时间的变化关系如图3所示。从图可以看出，随着光照时间的增加，正癸烷的光解率明显增大，经7小时的日光照射，正癸烷的光解率达到97.3％。由此可见，本发明制备的漂浮负载型TiO₂/飘珠光催化剂在太阳光下能有效光催化降解水面漂浮有机污染物，是一种有效的漂浮光催化剂，在废水处理、特别是处理水面漂浮有机污染物方面具有良好的应用前景。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米漂浮型负载光催化剂的低温制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)钛酸丁酯负载：首先将钛酸丁酯溶解在乙醇中，得到0.02～0.5mol·dm^-3钛酸丁酯的乙醇溶液；然后将5～200ml钛酸丁酯的乙醇溶液与0.1～10g空心微球飘珠充分混合均匀后，通过旋转蒸发法将钛酸丁酯负载于空心微球飘珠上，得到已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠；

(2)异相水解反应：将已经负载钛酸丁酯的空心微球飘珠于异相水解装置上进行异相水解反应，形成含水TiO₂/飘珠；

(3)重复步骤(1)和步骤(2)0～9次，得到负载次数为1～10次的含水TiO₂/飘珠；将负载次数为1～10次的含水TiO₂/飘珠和蒸馏水按1:1～1:10的质量比混合，在100～220℃保温2～24小时进行晶化；反应后冷却，过滤，再用蒸馏水洗涤干净，在40～120℃真空干燥，即得到纳米TiO₂/飘珠光催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种纳米漂浮型负载光催化剂的低温制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中异相水解反应条件为：空气流量为100～800ml/min，水解反应温度100～160℃，水解反应0.5～24小时。

3.一种纳米漂浮型负载光催化剂，就是通过权利要求1所述的制备方法制备而成。

4.权利要求3所述的纳米漂浮型负载光催化剂在废水处理方面的应用。

5.根据权利要求4所述的纳米漂浮型负载光催化剂在废水处理方面的应用，其特征在于：所述纳米漂浮型负载光催化剂在处理水面漂浮有机污染物的应用。

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