CN102531497A - 一种氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土及其制备方法，本发明的复合混凝土是由下列原料按一定重量配比制成：普通硅酸盐水泥，沙子，玻璃，氮掺杂二氧化钛，铝粉和自来水。该复合混凝土的制备方法包括以下步骤：原材料混合搅拌—铝粉加气—浇注入模—压缩成形—拆模—高压釜中蒸压—室内养护。本发明是通过将氮掺杂二氧化钛固定在蒸压加气混凝土（AAC）中，将玻璃添加到AAC中，通过玻璃的折射透光效应，太阳光能够照射到AAC内部，内部的氮掺杂的二氧化钛将被活化，大大提高其光催化降解效率；本发明的复合混凝土不仅具有吸附、截留雨污的能力，还能提高自然光照射下的氮掺杂二氧化钛的光催化降解能力，有效去除污染物。

Description

一种氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土及其制备方法

技术领域

       本发明涉及节能环保型建材技术领域，具体涉及一种添加了玻璃和氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土材料及其制备方法。

背景技术

       河流岸坡是指为防止边坡受冲刷，在坡面上所做的各种铺砌和栽植的统称。岸坡的形式有直接防护和间接防护。直接防护是对河岸边坡直接进行加固，以抵抗水流的冲刷和淘刷。常用抛石、干砌片石、浆砌片石、石笼及梢捆等修筑。间接防护适用于河床较宽或防护长度较大的河段，可修筑丁坝、顺坝和格坝等，将水流挑离河岸。但不管哪种岸坡形式都需要混凝土材料。

       蒸压加气混凝土是对传统混凝土材料改进的一种新型建筑材料，它一般是用水泥、石灰和硅质材料（如沙、粉煤灰、矿渣）的配料中加入铝粉作加气剂，经加水搅拌、发气膨胀、浇注成型、预养切割，再放入经高压蒸汽养护而成的多孔硅酸盐砌块。由于它很轻，具有很好的孔结构和稳定性等特性，现广泛应用于各种建筑的填充材料。

       有研究表明，蒸压加气混凝土材料有很好的孔结构，密度为450 kg/m³时，孔隙率几乎达到82 %。所以它不仅有很强的吸附能力（对磷的吸附能力达到6.064 mg/g），而且和其它的建筑材料相比，还有很快的吸附速率。此外，蒸压加气混凝土材料对污染物确实有一定的吸附能力，但这些污染物只是被它截留，而没有得到降解，在一定的条件下，它吸附的污染物将会被释放出来并进入水体，对水体造成污染。

发明内容

       本发明的目的在于提供一种氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土及其制备方法，该蒸压加气混凝土可用于吸附、截留雨污并能在自然光照射下光催化降解雨污中的污染物，从而控制河流面源污染。

    为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土，它由以下质量配比的原料制成：普通硅酸盐水泥30～35份，沙子30～35份，玻璃15～20份，氮掺杂二氧化钛3～6份，铝粉0.05～0.10份、自来水10～15份；

       氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将10 mL的钛酸正丁酯和10 mL无水乙醇混合为a液，将3 ml冰醋酸、2 ml双蒸水和10 ml无水乙醇混合为b液，将b液逐滴滴入不断搅拌的a液中，搅拌速度为500 r/min，滴加完毕后持续搅拌30 min，得到混合液，再将3 mL的浓度为1 mol/L尿素加入到混合液中，在搅拌速度为500 r/min下搅拌60 min；然后于室温下静置风干，得到干凝胶，然后将干凝胶碾磨成粉末状后放置于马弗炉内在400 ℃下煅烧3 h，得到粉末状的氮掺杂二氧化钛，然后选取其中粒径为6～18 nm的氮掺杂二氧化钛；

       玻璃是粒径为1.16～2.36 mm的透明玻璃碎片。

       本发明提供的另一个技术方案为：一种制备氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的方法，该方法的制备步骤如下：

       a)将上述的普通硅酸盐水泥，沙子，玻璃，氮掺杂二氧化钛和自来水混合搅拌1～2 h形成浆料，再加入铝粉进行加气，得到加气浆料；

       b)将加气浆料浇筑到模具中，用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1min；

       c)将压缩后的加气浆料养护1～2 天，养护条件为温度20℃±2℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压10～16 h，得到氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

    本发明采用铝粉掺入浆料，在碱性条件下产生化学反应：铝粉极细，产生的氢气形成许多小气泡，保留在很快凝固的混凝土中。这些大量的均匀分布的小气泡都是连通的，这使得蒸压加气混凝土作为一种新型混凝土材料，与普通混凝土材料相比，它有很好的孔结构，吸附污染物的能力有明显提高。

       普通透明玻璃：它是一种较为透明的固体物质，主要成份是二氧化硅，由于它具有很好的透光性，现广泛应用于日常生活中，用来隔风透光。

研究表明，蒸压加气混凝土相比普通混凝土具有很好的孔结构，对污染物有很强的吸附性能；氮掺杂二氧化钛是一种优良的催化剂，具有较高的催化活性，在可见光区有较强的响应，能有效利用太阳光降解去除包括杀虫剂、除草剂、氮氧化物、硫化物等污染物。所以将氮掺杂二氧化钛固定在蒸压加气混凝土中，应用到河流岸坡中，当污水流过河流岸坡时，蒸压加气混凝土能吸附污水中的杀虫剂、除草剂等污染物，然后氮掺杂二氧化钛在太阳光作用下，能有效地光催化降解吸附的污染物，最后在蒸压加气混凝土中添加玻璃碎片，通过玻璃的折射原理，能大大提高太阳光利用率，进而提高光催化降解污染物的效率。

       与现有技术相比，本发明具有如下优点：

       （1）采用蒸压加气混凝土材料，相比其它普通混凝土材料，它具有更好的孔结构，对污染物有更强的吸附能力；

       （2）采用蒸压加气混凝土作为氮掺杂二氧化钛的载体，对雨污有吸附、截留的作用；

       （3）采用碎玻璃作为复合蒸压加气混凝土的骨料，不仅实现了废物回收再利用，而且当太阳光照射到复合蒸压加气混凝土时，通过玻璃的折射透光效应，其内部的氮掺杂二氧化钛颗粒也具有光催化活性，使得复合蒸压加气混凝土具有更好的光催化降解效率；

       （4）采用浇筑入模、压缩的方式固定氮掺杂二氧化钛，会大大提高光催化剂的稳定性和耐磨性。

附图说明

       图1为本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土吸附实验的示意图；

       图2为太阳光通过本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土及氮掺杂二氧化钛被活化的原理图；

       图3为本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土应用到河流岸坡吸附、截留、去除雨水径流中污染物的原理图；

       其中，1、玻璃碎片；2、氮掺杂二氧化钛与蒸压加气混凝土复合体；3、光源；4、氮掺杂二氧化钛蒸压加气混凝土孔结构；5、可见～紫外分光光度计；6、活化的氮掺杂二氧化钛；7、雨水径流；8、太阳光；9、河流岸坡。

具体实施方式

       结合具体实施方式作进一步说明。

实施例1

       本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土，它由以下质量份数配比的原料制成：普通硅酸盐水泥30～35份，沙子30～35份，玻璃15～20份，氮掺杂二氧化钛3～6份，铝粉0.05～0.10份、自来水10～15份；

       其中，氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将10 mL的钛酸正丁酯和10 mL无水乙醇混合为a液，将3 ml冰醋酸、2 ml双蒸水和10 ml无水乙醇混合为b液，将b液逐滴滴入不断搅拌的a液中，搅拌速度为500 r/min，滴加完毕后持续搅拌30 min，得到混合液，再将3 mL的浓度为1 mol/L尿素加入到混合液中，在搅拌速度为500 r/min下搅拌60 min；然后于室温下静置风干，得到干凝胶，然后将干凝胶碾磨成粉末状后放置于马弗炉内在400 ℃下煅烧3 h，得到粉末状的氮掺杂二氧化钛，然后选取其中粒径为6～18 nm的氮掺杂二氧化钛；

       玻璃的筛选：回收普通透明玻璃再将其清洗干净，然后通过机械压碎机将它压碎，选择粒径为1.16～2.36 mm的玻璃碎片备用；

       本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的制备方法如下：

       a)按照质量配比将普通硅酸盐水泥30～35份，沙子30～35份，玻璃15～20份，氮掺杂二氧化钛3～6份和自来水10～15份混合搅拌1～2 h形成浆料，再加入0.05～0.10份铝粉进行加气，使浆料具有多孔性或泡沫的特性，得到加气浆料；

       b)将加气浆料浇筑到模具中，用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1min；

       c)将压缩后的加气浆料养护1～2 天，养护条件为温度18-22℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压10～16 h，得到氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

实施例2

       本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的制备：按照质量份数选取普通硅酸盐水泥30份，沙子30份，粒径在1.16～2.36 mm的玻璃20份，氮掺杂二氧化钛6份，自来水10份，氮掺杂二氧化钛的制备及玻璃的筛选与实施方式1中所述的相同；将上述中除铝粉之外的材料混合搅拌1 h形成浆料，再加入0.1质量份铝粉进行加气，然后将加气浆料浇筑到模具中，模的尺寸为200×100×5 mm，再进一步使用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1min；将压缩后的加气浆料养护1天，养护条件为温度20℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压15 h，最终得到氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

       （2）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的吸附效果：

       取10g复合蒸压加气混凝土放入100ml的锥形瓶中，再加入50mL浓度为300mg/L的敌百虫标准溶液，然后将锥形瓶密封放在恒温振荡箱中，以每分钟100转，温度控制在25℃振荡48h，然后用离心机对敌百虫溶液以每分钟5000转离心10分钟，分离出的上清液用钼酸铵分光光度法测定磷浓度，溶液中磷减少的量就是被复合蒸压加气混凝土吸附的量，其吸附能力达到4.47 mg/g。

       （3）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的去除效果：

       取质量份数为99.8 %的4—氯酚溶液，用蒸馏水配成浓度为4 mg/l的4—氯酚溶液，取200 ml进行实验。将制备的氮掺杂二氧化钛的复合混凝土加入4—氯酚溶液中，以85 W日光灯为光源，反应12 h，取上清液离心用CP—3380气相色谱仪进行分析，其降解率可达到75.02 %。

       实施例3

       （1）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的制备：按照质量份数选取普通硅酸盐水泥35份，沙子35份，粒径在1.16～2.36 mm的玻璃15份，氮掺杂二氧化钛4份，自来水13份，氮掺杂二氧化钛的制备及玻璃的筛选与实施方式1中所述的相同；将上述中除铝粉之外的材料混合搅拌2 h形成浆料，再加入0.07质量份铝粉进行加气，然后将加气浆料浇筑到模具中，模的尺寸为200×100×5 mm，再进一步使用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1min；将压缩后的加气浆料养护2 天，养护条件为温度22℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压15 h，最终得到氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

       （2）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的吸附效果：

       取10g复合蒸压加气混凝土放入100ml的锥形瓶中，再加入50mL浓度为300mg/L的敌百虫标准溶液，然后将锥形瓶密封放在恒温振荡箱中，以每分钟100转，温度控制在25℃振荡48h，然后用离心机对敌百虫溶液以每分钟5000转离心10分钟，分离出的上清液用钼酸铵分光光度法测定磷浓度，溶液中磷减少的量就是被复合蒸压加气混凝土吸附的量，其吸附能力达到5.37 mg/g。

       （3）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的去除效果：

       取质量份数为99.8 %的4—氯酚溶液，用蒸馏水配成浓度为4 mg/l的4—氯酚溶液，取200 ml进行实验。将制备的复合蒸压加气混凝土加入4—氯酚溶液中，以85 W日光灯为光源，反应12 h，取上清液离心用CP—3380气相色谱仪进行分析，其降解率可达到69.13 %。

       实施例4

       （1）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的制备：按照质量份数选取普通硅酸盐水泥33份，沙子33份，粒径在1.16～2.36 mm的玻璃17份，氮掺杂二氧化钛6份，自来水10份，氮掺杂二氧化钛的制备及玻璃的筛选与实施方式1中所述的相同；将上述中除铝粉之外的材料混合搅拌1.7 h形成浆料，再加入0.1质量份铝粉进行加气，然后将加气浆料浇筑到模具中，模的尺寸为200×100×5 mm，再进一步使用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1 min；将压缩后的加气浆料养护1.5 天，养护条件为温度21℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压15 h，最终得到氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

       （2）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的吸附效果：

       取10g复合蒸压加气混凝土放入100ml的锥形瓶中，再加入50mL浓度为300mg/L的敌百虫标准溶液，然后将锥形瓶密封放在恒温振荡箱中，以每分钟100转，温度控制在25℃振荡48h，然后用离心机对敌百虫溶液以每分钟5000转离心10分钟，分离出的上清液用钼酸铵分光光度法测定磷浓度，溶液中磷减少的量就是被复合蒸压加气混凝土吸附的量，其吸附能力达到4.82 mg/g。

       （3）本发明的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的去除效果：

       取质量份数为99.8 %的4—氯酚溶液，用蒸馏水配成浓度为4 mg/l的4—氯酚溶液，取200ml进行实验。将制备的复合蒸压加气混凝土加入4—氯酚溶液中，以85 W日光灯为光源，反应12 h，取上清液离心用CP—3380气相色谱仪进行分析，其降解率可达到72.33 %。

       实施例5

       （1）未添加玻璃碎片的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的制备：按照质量份数选取普通硅酸盐水泥33份，沙子33份，氮掺杂二氧化钛6份，自来水10份，氮掺杂二氧化钛的制备与实施方式1中所述的相同；将上述中除铝粉之外的材料混合搅拌1.7 h形成浆料，再加入0.1质量份铝粉进行加气，然后将加气浆料浇筑到模具中，模的尺寸为200×100×5 mm，再进一步使用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1 min；将压缩后的加气浆料养护1.5 天，养护条件为温度21℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压15 h，最终得到未添加玻璃碎片的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

       （2）未添加玻璃碎片的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的吸附效果：

       取10g未添加玻璃碎片的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土放入100ml的锥形瓶中，再加入50mL浓度为300mg/L的敌百虫标准溶液，然后将锥形瓶密封放在恒温振荡箱中，以每分钟100转，温度控制在25℃振荡48h，然后用离心机对敌百虫溶液以每分钟5000转离心10分钟，分离出的上清液用钼酸铵分光光度法测定磷浓度，溶液中磷减少的量就是被未添加玻璃碎片的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土吸附的量，其吸附能力达到3.98 mg/g。

       （3）未添加玻璃碎片的的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土对污染物的去除效果：

       取质量份数为99.8 %的4—氯酚溶液，用蒸馏水配成浓度为4 mg/l的4—氯酚溶液，取200ml进行实验。将制备的未添加玻璃碎片的氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土加入4—氯酚溶液中，以85 W日光灯为光源，反应12 h，取上清液离心用CP—3380气相色谱仪进行分析，其降解率达到43.27 %。

       实施例6

       （1）未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土的制备：按照质量份数选取普通硅酸盐水泥33份，沙子33份，粒径在1.16～2.36 mm的玻璃17份，自来水10份，玻璃的筛选与实施方式1中所述的相同；将上述中除铝粉之外的材料混合搅拌1.7 h形成浆料，再加入0.1质量份铝粉进行加气，然后将加气浆料浇筑到模具中，模的尺寸为200×100×5 mm，再进一步使用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1 min；将压缩后的加气浆料养护1.5 天，养护条件为温度21℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压15 h，最终得到未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土。

       （2）未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土对污染物的吸附效果：

       取10g未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土放入100ml的锥形瓶中，再加入50mL浓度为300mg/L的敌百虫标准溶液，然后将锥形瓶密封放在恒温振荡箱中，以每分钟100转，温度控制在25℃振荡48h，然后用离心机对敌百虫溶液以每分钟5000转离心10分钟，分离出的上清液用钼酸铵分光光度法测定磷浓度，溶液中磷减少的量就是被未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土吸附的量，其吸附能力达到4.02 mg/g。

       （3）未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土对污染物的去除效果：

       取质量份数为99.8 %的4—氯酚溶液，用蒸馏水配成浓度为4 mg/l的4—氯酚溶液，取200ml进行实验。将制备的未添加氮掺杂二氧化钛但添加玻璃碎片的蒸压加气混凝土加入4—氯酚溶液中，以85 W日光灯为光源，反应12 h，取上清液离心用CP—3380气相色谱仪进行分析，其降解率达到1.27 %。

       实施例7

       （1）未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土的制备：按照质量份数选取普通硅酸盐水泥33份，沙子33份，自来水10份；将上述中除铝粉之外的材料混合搅拌1.7 h形成浆料，再加入0.1质量份铝粉进行加气，然后将加气浆料浇筑到模具中，模的尺寸为200×100×5 mm，再进一步使用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1 min；将压缩后的加气浆料养护1.5 天，养护条件为温度21℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压15 h，最终得到未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土。

       （2）未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土对污染物的吸附效果：

       取10g未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土放入100ml的锥形瓶中，再加入50mL浓度为300mg/L的敌百虫标准溶液，然后将锥形瓶密封放在恒温振荡箱中，以每分钟100转，温度控制在25℃振荡48h，然后用离心机对敌百虫溶液以每分钟5000转离心10分钟，分离出的上清液用钼酸铵分光光度法测定磷浓度，溶液中磷减少的量就是被未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土吸附的量，其吸附能力达到3.76 mg/g。

       （3）未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土对污染物的去除效果：

       取质量份数为99.8 %的4—氯酚溶液，用蒸馏水配成浓度为4 mg/l的4—氯酚溶液，取200ml进行实验。将制备的未添加氮掺杂二氧化钛和玻璃碎片的蒸压加气混凝土加入4—氯酚溶液中，以85 W日光灯为光源，反应12 h，取上清液离心用CP—3380气相色谱仪进行分析，其降解率达到0.97 %。

Claims (2)

1.一种氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土，其特征在于它由以下质量份数配比的原料制成：普通硅酸盐水泥30～35份，沙子30～35份，玻璃15～20份，氮掺杂二氧化钛3～6份，铝粉0.05～0.10份、自来水10～15份；

    所述氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将10 mL的钛酸正丁酯和10 mL无水乙醇混合为a液，将3 ml冰醋酸、2 ml双蒸水和10 ml无水乙醇混合为b液，将b液逐滴滴入不断搅拌的a液中，搅拌速度为500 r/min，滴加完毕后持续搅拌30 min，得到混合液，再将3 mL的浓度为1 mol/L尿素加入到混合液中，在搅拌速度为500 r/min下搅拌60 min；然后于室温下静置风干，得到干凝胶，然后将干凝胶碾磨成粉末状后放置于马弗炉内在400 ℃下煅烧3 h，得到粉末状的氮掺杂二氧化钛，然后选取其中粒径为6～18 nm的氮掺杂二氧化钛；

    所述玻璃是粒径为1.16～2.36 mm的透明玻璃碎片。

2.一种制备权利要求1所述氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土的方法，其特征在于：该方法的制备步骤如下：

    a)将普通硅酸盐水泥，沙子，玻璃，氮掺杂二氧化钛和自来水混合搅拌1～2 h形成浆料，再加入铝粉进行加气，得到加气浆料；

    b)将加气浆料浇筑到模具中，用压缩机压缩2次，第一次以500 kN/min的压缩速率压缩1min，第二次以600 kN/min的压缩速率压缩1min；

    c)将压缩后的加气浆料养护1～2 天，养护条件为温度20℃±2℃、相对湿度95 %，拆模得到初步的复合混凝土块，再将它放入高压釜中以180 ℃蒸压10～16 h，得到氮掺杂二氧化钛的蒸压加气混凝土。

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