CN101972662B - 一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于催化剂制备及使用技术领域的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备和使用方法。在溶胶-凝胶法制备二氧化钛的过程中加入氮源和钒源，水解后所得凝胶静置陈化、烘干，形成颗粒；再研磨、炭化，升温至600～800℃焙烧，得到不同掺杂量的混晶型二氧化钛催化剂。掺入金属离子影响电子-空穴对的复合，提高对可见光的利用率。本发明操作简单，易掌握，制备的氮和钒共掺杂改性二氧化钛光催化剂能大幅提高催化剂的可见光活性，可应用于化工行业的硫酸生产，冶炼行业的SO2尾气治理和燃煤、燃油锅炉的二氧化硫控制，酸雨的防治以及燃煤电厂烟气调节提高电除尘器的除尘效率等领域。
Description
技术领域
本发明属于催化剂制备及使用技术领域，特别涉及一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备和使用方法。
背景技术
随着我国化肥及钛白粉、氢氟酸、柠檬酸等其他耗酸产业的快速发展，硫酸产业亦发展迅速。硫酸生产过程中由于技术原因，SO2没有完全氧化成SO3吸收成为硫酸，排放含SO2尾气，产生硫酸产业污染大气环境的问题。我国自1951年成功研制钒催化剂并用于硫酸生产后，相继开发出一系列低温钒催化剂、耐砷钒催化剂和宽温型钒催化剂。钒催化剂是以V2O5为主活性组分、以碱金属的硫酸盐为助催化剂、以硅藻土为载体的多组分催化剂，通称为钒-钾(钠)-硅体系催化剂。近年来由于载体硅藻土质量下滑以及长期没有进行新型催化剂的研发，用传统技术生产的钒催化剂在使用中凸显出起燃温度较高、热稳定性较差及总转化率达不到环保要求等问题。含铯催化剂中的铯能使催化剂中钒酸盐的熔点降低，起燃温度可降低20～40℃，但转化器的气体温度仍然在395℃。
纳米TiO2有较长的使用寿命，而且经过多次催化循环后，仍能保留大部分活性。但是，TiO2目前在实际应用中仍存在很多困难，阻碍其应用的一个重要因素就是激发光波长问题。由于TiO2半导体禁带宽度为3.2eV，其对应的波长为387nm，属于紫外光区，而紫外光只占到达地球表面太阳光的3％～4％，在太阳光谱中占绝大多数的可见光部分(能量约占45％)未得到有效利用。最近几年不少研究者又对共掺杂TiO2进行了研究，结果表明阴阳离子掺杂TiO2产生的效果可以协同作用共同提高TiO2在可见光下的催化活性。关于共掺杂纳米二氧化钛可见光脱色和光催化降解有机物的作用已有报道，但对可见光照条件下氧化二氧化硫的作用还鲜见报道。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种硫酸生产中将SO2氧化成SO3的氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备和使用方法，通过掺杂阴阳离子提高催化剂可见光活性，在室温可见光照射条件下，提高SO3产率，减少尾气中SO2放空，有利环保。
一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约120～200r/min)的条件下将钛源从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛源与无水乙醇体积比为(3～4)∶8，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.28～0.85称取氮源，再将氮源加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为5∶(2～6)∶20，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.001～0.12称取钒源，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(大约45～60r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10～20℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至600～800℃焙烧，得到不同掺杂量的混晶型二氧化钛催化剂。所得二氧化钛催化剂掺杂有氮元素和钒元素。
所述烘干温度为75～85℃。
所述钛源为钛酸丁酯。
所述氮源选自氨水、尿素、六次甲基四胺中的一种。
所述钒源为偏钒酸铵、五氧化二钒两者中的一种。
所述焙烧时间为1～6个小时。
所述陈化时间为1～2天。
上述方法制备的氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的使用方法如下：用于硫酸生产中将二氧化硫氧化成三氧化硫，使用条件为室温，普通荧光灯照射，采用卧式管式光催化反应器，二氧化钛催化剂可以粉碎成粒径为0.02～0.2毫米的细小颗粒，既可以单独使用也可以负载在活性碳纤维上置于反应器器壁，荧光灯位于反应器中央，距离催化剂层为3～15厘米，连续通入二氧化硫与氧气气体，维持二氧化硫浓度1000～1700mg/m3，氧气体积浓度为5％～15％。光照20～30分钟就会有三氧化硫产生。转化率可达99％以上。
光波辐射到TiO2表面时使导带激发产生激发态电子(e-)和带正电荷的空穴(h+)，电子与氧发生还原反应生成氧负离子，空穴与氧负离子发生氧化反应生成高活性的氧自由基，自由基再把无机物氧化成产物。
当环境中存在O2的情况下，O2作为电子捕获剂，可有效地阻止电子与空穴的复合，而且分子氧还可以通过捕获电子生成·O2 -、·O等，这些自由基都参与光催化反应的过程。
TiO2+hv→e-+h+ 公式(1)
O2+e-→·O2 - 公式(3)
此时，有SO2存在的情况下，光催化反应方程式为：
O·+SO2→SO3 公式(6)
O2+2SO2→2SO3 公式(7)
可见，光照是SO2发生氧化反应的必要条件。在无水条件下，由于吸附氧是光致电子的捕获剂，产生活性氧物种，致使SO2氧化反应加快。
(1)掺杂改性后比表面积与孔容积为改性前4倍左右，并且掺杂后为介孔结构；由于孔体积、孔隙率的增大，比表面积也随之增大，这增强了半导体光催化吸附污染物的能力和光催化降解能力。
(2)掺杂金属元素有利于颗粒的分散，改性后颗粒的粒径减小，而且粒径分布更均匀。半径越小，光生载流子从体内扩散到表面所用时间越短，光生电荷分离效果就越好，电子和空穴的复合概率就越小，从而导致光催化活性的提高。随着粒径的减小，量子尺寸效应明显，增加了光生电子和空穴的氧化-还原能力，提高了半导体光催化氧化活性。粒径减小引起的表面效应使得表面活性位增加，并且对光吸收表现出较强的吸收能力，在可见光范围内可以吸收光能量产生光致电子与空穴氧化能力增强，提高处理效果。是不掺杂二氧化钛的2～5倍且不易失活。目前商用钒系催化剂必须在390℃以上高温才有催化活性。本发明采用荧光灯的主波长为550nm。
(3)非金属取代TiO2晶格中的O原子形成Ti-N键，由于N和O的电负性不同，使Ti周围的电子云密度发生变化，而导致禁带宽度缩小，改变了半导体的激发波长，从而提高了TiO2的可见光催化活性。氧空位的存在，也是可见光区域内有较高的活性的原因。
(4)TiO2的晶型对其催化活性的影响很大，其晶型有3种：板钛型(不稳定)、锐钛型和金红石型。其中以一定比例混合的锐钛型和金红石型光催化活性最高。在本发明中采用的温度范围为600～800℃，此时TiO2的晶型以一定比例混合的锐钛型和金红石型的混晶型。
本发明的有益效果为：
光波辐射到TiO2表面时使导带激发产生激发态电子(e-)和带正电荷的空穴(h+)，电子与氧发生还原反应生成氧负离子，空穴与氧负离子发生氧化反应生成高活性的氧自由基，自由基再把无机物氧化成产物。由于TiO2半导体禁带宽度为3.2eV，其对应的波长为387nm，属于紫外光区，掺入非金属离子可以改善TiO2的光催化性能，可以在半导体晶格中引入空穴位置或改变结晶度等，从而减小禁带宽度提高对可见光的利用率；掺入金属离子影响电子-空穴对的复合，提高对可见光的利用率。
本发明操作简单，易掌握，制备的氮钒共掺杂改性二氧化钛光催化剂能大幅提高催化剂的可见光活性，可应用于化工行业的硫酸生产，冶炼行业的SO2尾气治理和燃煤、燃油锅炉的二氧化硫控制，酸雨的防治以及燃煤电厂烟气调节提高电除尘器的除尘效率等领域，与此同时严格控制、检测硫酸生产尾气排放中的SO2浓度和总量，使经济发展和环境友好和谐实现，具有广阔的发展前景。
用溶胶-凝胶法制备TiO2原料，其反应温度较其他方法低，所以能形成亚稳态化合物，纳米粒子的晶型、粒度可控，且粒子均匀度高、纯度高、反应过程易于控制、副反应少并可避免结晶等，这就是相对于传统的氧化物固相烧结法，溶胶-凝胶法制备金属氧化物具有优势的原因。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约120r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为3∶8，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.3称取六次甲基四胺，再将六次甲基四胺加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为2∶1∶8，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.001称取偏钒酸铵，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(45r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温75℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至600±10℃的条件下焙烧5±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛25g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在75g活性碳纤维上。荧光灯位于反应器中央，距离催化剂层为3～15厘米，连续通入二氧化硫与氧气气体(下同)。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1000mg/m3，氧气体积浓度为5％。
实施例2：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约150r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为17∶40，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.5称取六次甲基四胺，再将六次甲基四胺加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为2∶1∶8，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.003称取偏钒酸铵，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(50r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化1.5天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温80℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以20℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至700±10℃的条件下焙烧3±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛25g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在75g活性碳纤维上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1200mg/m3，氧气体积浓度为7％。
实施例3：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约160r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为1∶2，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.5称取六次甲基四胺，再将六次甲基四胺加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为2∶1∶8，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.003称取偏钒酸铵，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(45r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温75℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至800±10℃的条件下焙烧1±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛25g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在75g活性碳纤维上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1400mg/m3，氧气体积浓度为10％。
实施例4：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约120r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为17∶40，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.3称取尿素，再将尿素加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为2∶1∶8，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.03称取偏钒酸铵，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(55r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温85℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至600±10℃的条件下焙烧5±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛50g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在150g活性碳纤维上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1600mg/m3，氧气体积浓度为5％。
实施例5：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约120r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为3∶8，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.5称取尿素，再将尿素加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为1∶1∶4，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.05称取偏钒酸铵，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(45r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温75℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至700±10℃的条件下焙烧3±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛50g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在150g活性碳纤维上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1200mg/m3，氧气体积浓度为12％。
实施例6：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约130r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为3∶8，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.6称取尿素，再将尿素加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为2∶1∶8，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.001称取偏钒酸铵，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(45r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温75℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至800±10℃的条件下焙烧1±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛25g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在反应器器壁上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1000mg/m3，氧气体积浓度为6％。
实施例7：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约120r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为17∶40，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.3称取六次甲基四胺，再将六次甲基四胺加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为1∶1∶4，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.11称取五氧化二钒，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温(20～30℃)，将B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(45r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温75℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至700±10℃的条件下焙烧3±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛15g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在反应器器壁上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1300mg/m3，氧气体积浓度为10％。
实施例8：
一种用于二氧化硫氧化制硫酸的二氧化钛催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌(大约150r/min)的条件下将钛酸丁酯从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛酸丁酯与无水乙醇体积比为17∶40，混合生成浅黄色透明溶液得到A溶液；按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.5量取质量分数28％的氨水备用。
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为5∶3∶20，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.11称取五氧化二钒，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)维持室温(20～30℃)，将氨水、B溶液缓慢(约1滴/秒)的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌(55r/min)，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化2天；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中恒温85℃烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨至粒径3毫米以下，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至700±10℃的条件下焙烧3±0.2小时，得到掺杂氮和钒的混晶型二氧化钛催化剂
称取上述混合晶型二氧化钛25g，粉碎至粒径0.02～0.2毫米，均匀铺在75g活性碳纤维上。用普通荧光灯照射20～30分钟就可以将99％的二氧化硫氧化成三氧化硫；维持二氧化硫浓度1600mg/m3，氧气体积浓度为10％。
Claims (9)
1.一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)配制A溶液：在快速搅拌的条件下将钛源从分液漏斗中滴入无水乙醇中，维持钛源与无水乙醇体积比为(3～4)∶8，混合生成浅黄色透明溶液，按照氮原子与钛原子的摩尔比为0.28～0.85称取氮源，再将氮源加入上述溶液中，得到A溶液；
(2)配制B溶液：将冰醋酸、高纯水加入到无水乙醇中，维持体积比冰醋酸∶高纯水∶无水乙醇为5∶(2～6)∶20，再按照钒原子与钛原子的摩尔比为0.001～0.12称取钒源，加入上述由冰醋酸、高纯水和无水乙醇配制的溶液中，得到B溶液；
(3)待A溶液混合均匀，维持室温，将B溶液缓慢的滴加到A溶液中，完全混合后形成浅色溶胶，缓慢水解，继续搅拌，直到变成凝胶，停止搅拌；
(4)将形成的凝胶用滤纸封口后室温静置陈化；
(5)将陈化后的凝胶放入烘箱中烘干，形成颗粒；
(6)将烘干后所得颗粒放入研钵中研磨，再置于箱式电阻炉中，炉内保证有空气进入，以10～20℃/min的升温速率缓慢升温至250℃，炭化半小时，继续升温至600～800℃焙烧，得到不同掺杂量的混晶型二氧化钛催化剂；
步骤(1)中所述快速搅拌的搅拌速度为120～200r/min。
2.根据权利要求1所述的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：所述烘干温度为75～85℃。
3.根据权利要求1所述的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：所述钛源为钛酸丁酯。
4.根据权利要求1所述的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：所述氮源选自氨水、尿素、六次甲基四胺中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：所述钒源为偏钒酸铵、五氧化二钒两者中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：所述焙烧时间为1～6个小时。
7.根据权利要求1所述的一种氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的制备方法，其特征在于：所述陈化时间为1～2天。
8.权利要求1至7任意一个权利要求所述的氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的使用方法，其特征在于：用于硫酸生产中将二氧化硫氧化成三氧化硫，使用条件为室温，普通荧光灯照射，采用卧式管式光催化反应器，催化剂粉碎成细小颗粒，单独使用或者负载在活性碳纤维上置于反应器器壁，荧光灯位于反应器中央，距离催化剂层为3～15厘米，连续通入二氧化硫与氧气气体。
9.根据权利要求8所述的氮和钒共掺杂的改性二氧化钛催化剂的使用方法，其特征在于：维持二氧化硫浓度1000～1700mg/m3，氧气体积浓度为5％～15％。
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