CN103521218B - 一种处理挥发性有机物的光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于处理挥发性有机物的光催化剂的制备方法，特征在于：以二氧化钛为主活性组分，添加过渡金属为助剂，采用常温喷涂工艺，负载在金属或陶瓷蜂窝载体上。具体步骤：A）将硫酸氧钛溶于去离子水，用5-25%氨水溶液调节pH值至7～10后，将得到的白色沉淀离心洗涤，再将沉淀与去离子水混合打浆，搅拌条件下用H2O2和HCl调节pH值在7～10，得到钛溶胶；B）在钛溶胶中添加表面活性剂，搅拌条件下加入金属氧化物微粉，并添加粘结剂，高速剪切搅拌均匀后制成稳定的涂覆涂层液。C）将涂层液均匀的喷涂在载体上，烘干，焙烧，得到成品催化剂。使用本方法制备的催化剂具有去除挥发性有机物效率高、寿命长、装卸简单、价格低廉等特点。
Description
技术领域：
本发明涉及催化剂制造领域，旨在提供一种处理挥发性有机物的光催化剂的制备方法。本发明的催化剂主要用于挥发性有机物中的气体污染物。
发明背景：
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，简称VOCs)，是常压下沸点在50～260℃之间的有机化合物。VOCs种类繁多(包括芳香烃类、酯类、醛类和酚类等)，来源广泛，石油加工、化工等各种工业生产及储运过程，高校、研究所、检验机构实验室中各种化学试剂和药品的放置和使用过程，以及样品的挥发物、分析过程中间产物的泄漏及排空等，都会产生VOCs废气。许多VOCs具有神经毒性、肾脏和肝脏毒性，甚至具有致癌作用，能损害血液成分和心血管系统，引起胃肠道紊乱，诱发免疫系统、内分泌系统及造血系统疾病，造成代谢缺陷。VOCs废气严重地污染环境，危害人类健康。因此，设法控制和治理其污染显得十分重要和迫切。
传统的VOCs污染治理技术主要包括物理方法和化学方法。物理方法通过运用净化设备，采用吸收、分离等物理手段除去VOCs有机污染物，常用的物理方法有：吸附法、冷凝法、膜分离技术等。这些方法需要消耗大量能源，设备复杂，成本昂贵，收集回来的油脂及烃类物质易成为二次污染物。化学方法有低温等离子体、光催化氧化、生物处理等。其中，光催化氧化法技术在常温、常压下就能将废气中的有机物降解为CO2、H2O等无机物，具有去除效率高、安全可控、反应条件温和、成本低等优点，是目前最经济、最具有开发前景的污染治理技术。
作为光催化剂的物质主要是半导体氧化物，如TiO2，WO3，MgO，Fe2O3，ZnO和CdS等，其中TiO2由于化学性质稳定、抗光腐蚀能力强、成本低、无毒和光催化活性高等优点最具应用前景。其中，粒径为300nm，表面积为50m2/g且锐钛矿型占70％的P25型纳米二氧化钛已经广泛应用于实际的空气净化技术。但是相对吸附型材料而言，TiO2光催化剂的吸附性能较差，而且空气中的有机污染物浓度较低，很难有效富集到TiO2表面，大大影响了TiO2光催化剂的催化效率，不能实现低浓度挥发性有机物的有效降解脱除。因此适宜载体的选择十分必要。蜂窝陶瓷具有阻力小，接触均匀，不易破碎，拆卸方便，容易加工等特点，并且陶瓷蜂窝材料作为吸附中心可为TiO2光催化剂提供高浓度反应环境，加快催化剂传质速率，提高催化剂效率，抑制催化剂失活，解决催化剂分离难题。
中科院的专利[CN100551534C]公开了一种二氧化钛/活性炭纤维光催化剂及其制备方法。该方法在氢氧化钛乳液中加入稀硫酸溶液，搅拌均匀后超声振荡，制得酸化乳液；活性炭纤维经过预处理后进入上述酸化乳液中，烘干，焙烧，制成TiO2/ACF光催化剂。该方法采用活性炭为载体，具有分离难、装填复杂、放大困难等问题。
河北工业大学的专利[CN100383050C]公开了一种含稀土的电气石/二氧化钛复合溶胶的制备方法。该方法将钛酸四丁酯、有机酸、电气石、无水乙醇搅拌混合成悬浮液，再依次加入稀土、无水乙醇等，搅拌一定时间得到复合溶胶。该方法采用有机钛源为原料，成本高，并且文中并未提及该复合溶胶的涂覆效果、涂层的牢固度等。
浙江大学的专利[CN 100364662C]公开了一种稀土复合多孔氧化铝负载Pd催化剂的制备方法。该方法待用溶胶浸涂法涂覆水合氧化铝，制得水合氧化铝/陶瓷蜂窝载体，然后在水合氧化铝/陶瓷蜂窝载体上，依次负载铈-锆复合氧化物及金属Pd活性组分，最终制得复合多孔氧化铝负载Pd催化剂。该催化剂活性高、耐高温活性好。但该催化剂使用贵金属为活性组分，成本较高，且制备过程复杂，工业化放大困难。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种用于光催化氧化深度去除挥发性有机物中气体污染物的催化剂的制备方法。该催化剂制备过程简单，成本低廉，催化活性高，性能稳定，装卸简单，处理后的挥发性有机物能够达到排放标准。
本发明为一种用于处理挥发性有机物的光催化剂的制备方法，其特征在于：
以二氧化钛为主活性组分，添加过渡金属为助剂，采用常温喷涂工艺，负载在金属或陶瓷蜂窝载体上；
包括如下步骤：
A)将硫酸氧钛溶于去离子水，用5-25％氨水溶液调节pH值至7～10后，将得到的白色沉淀离心洗涤，再将沉淀与去离子水混合打浆，搅拌条件下用H2O2和HCl调节pH值在7～10之间，得到钛溶胶；
B)在步骤A)中得到的钛溶胶中添加表面活性剂，搅拌条件下加入金属氧化物微粉，并添加粘结剂，2000～15000转/分的转速下高速剪切搅拌10min～3hr后制成稳定的涂覆涂层液。
C)将步骤B)得到的涂层液均匀的喷涂在金属或陶瓷蜂窝载体上，60～180℃烘干1～10小时，反复喷涂1～6次，于200～900℃条件下焙烧1～10小时得到成品催化剂；得到的涂覆型TiO2光催化剂，其中TiO2的含量为0.1～20wt％；
所述的表面活性剂选用吐温-80，司盘-20，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵，六亚甲基四胺中一种或几种，加入量为钛溶胶质量的0.1～20％；
所述的金属氧化物微粉选用钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锡、铈中一种或几种，加入量为硫酸氧钛质量的5～50％，所述的金属氧化物微粉具有如下性质：比表面大于50m2/g，孔容大于0.1ml/g，氧化物粒度小于2mm；
所述的粘结剂选用硅溶胶、铝溶胶、磷酸-氧化铜粘结剂中的一种或几种，粘结剂加入量为钛溶胶质量的10～90％；
所述的金属或陶瓷蜂窝载体中，金属蜂窝载体是铝合金、铁合金或钛合金支撑蜂窝状，陶瓷蜂窝载体采用氧化铝、氧化硅或堇青石的一种或几种，制成蜂窝状。
按照本发明所述的催化剂制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：
A)将硫酸氧钛溶于去离子水，用10-20％氨水溶液调节pH值至7～10后，将得到的白色沉淀离心洗涤，再将沉淀与去离子水混合打浆，搅拌条件下用H2O2和HCl调节pH值在7～10之间，得到钛溶胶；
B)在步骤A)中得到的钛溶胶中添加表面活性剂，搅拌条件下加入金属氧化物微粉，并添加粘结剂，3000～12000转/分的转速下高速剪切搅拌20min～2hr后制成稳定的涂覆涂层液。
C)将步骤B)得到的涂层液均匀的喷涂在金属或陶瓷蜂窝载体上，80～150℃烘干2～9小时，反复喷涂2～5次，于300～800℃条件下焙烧2～9小时得到成品催化剂；得到的涂覆型TiO2光催化剂，其中TiO2的含量为0.5～10wt％；
所述的表面活性剂选用吐温-80，司盘-20，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵，六亚甲基四胺中一种或几种，加入量为钛溶胶质量的0.5～10％；
所述的金属氧化物粉末选用钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锡、铈中一种或几种，加入量为硫酸氧钛质量的10～40％，所述的金属氧化物粉末具有如下性质：比表面大于60m2/g，孔容大于0.2ml/g，氧化物粒度小于1mm；
所述的粘结剂选用硅溶胶、铝溶胶、磷酸-氧化铜粘结剂中的一种或几种，粘结剂加入量为钛溶胶质量的20～80％；
所述的金属或陶瓷蜂窝载体中，金属蜂窝载体是铝合金、铁合金或钛合金支撑蜂窝状，陶瓷蜂窝载体采用氧化铝、氧化硅或堇青石的一种或几种，制成蜂窝状。
以此方法生产的催化剂可用于多种有机污染物的光催化氧化去除。按照本发明，由这种方法生产的催化剂特别适用低浓度挥发性有机物中气体污染物的深度去除。
本发明工艺只用3个工艺步骤快速而经济的生产出用于挥发性有机污染物的催化剂，制备步骤简单，并且成本低廉，适宜工业化放大。
由于该催化剂采用添加了过渡金属的钛溶胶为涂覆液，颗粒粒径小，对可见光的吸收范围宽，并且陶瓷蜂窝载体的结构可以为活性组分提供高浓度反应环境，加快催化剂传质速率，提高催化剂效率，因此本发明的催化剂具有高的活性和寿命。
具体实施方式：
实施例1
取10g硫酸氧钛，用300g去离子水超声分解溶解成溶液。加10％氨水调节反应体系pH值为9，沉淀15min，离心洗涤沉淀直至洗出液电导率在20μS/cm以下。将得到的白色沉淀加200ml去离子水打浆，逐滴加入15ml双氧水，并用浓氨水调节pH值至7，得到亮黄色透明钛溶胶。
在钛溶胶中加入聚乙烯醇2g，氧化钨粉末2g，氧化锰粉末2g，搅拌均匀，加入铝溶胶40g，4000转/分的高速剪切搅拌30min，得到涂覆液。
将涂覆液喷涂到陶瓷蜂窝载体上(型号HA-01，中海油天津化工研究设计院。载体重量200g，尺寸100*100*40mm，吸水10～30％)，80℃烘干2hr，反复喷涂，直至涂覆液全部喷涂至载体上，100℃干燥4hr，300℃焙烧3hr，得到成品光催化剂。催化剂活性组分含量列于表1。
催化剂性能评价通过以下装置实现：
反应器：密闭通风管道，中间装填2块光催化剂，装置顶部安装紫外灯。以甲醛、苯、甲苯为模拟气体污染源，每隔30min，分别采集进口和出口采样点空气样品，测试污染物浓度，求平均值，计算光催化剂对气体污染物的一次净化效率。
气体流量1.00L/min。温度：室温，空气湿度：50±5％，
催化剂的评价结果见表2。
实施例2：
取40g硫酸氧钛，用1000g去离子水超声分解溶解成溶液。加5％氨水调节反应体系pH值为9，沉淀30min，离心洗涤沉淀直至洗出液电导率在20μS/cm以下。将得到的白色沉淀加800ml去离子水打浆，逐滴加入60ml双氧水，并用浓氨水调节pH值至7，得到亮黄色透明钛溶胶。
在钛溶胶中加入聚乙烯醇80g，氧化钨粉末16g，氧化锰粉末16g，搅拌均匀，铝溶胶600g，12000转/分的高速剪切搅拌60min，得到涂覆液。
将涂覆液喷涂到陶瓷蜂窝载体上(型号HA-01，中海油天津化工研究设计院。载体重量200g，尺寸100*100*40mm，吸水10～30％)，100℃烘干2hr，反复喷涂，直至涂覆液全部喷涂至载体上，120℃干燥4hr，600℃焙烧3hr，得到成品光催化剂。催化剂活性组分含量列于表1。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
实施例3：
取20g硫酸氧钛，用600g去离子水超声分解溶解成溶液。加10％氨水调节反应体系pH值为8，沉淀30min，离心洗涤沉淀直至洗出液电导率在20μS/cm以下。将得到的白色沉淀加400ml去离子水打浆，逐滴加入30ml双氧水，并用浓氨水调节pH值至7，得到亮黄色透明钛溶胶。
在钛溶胶中加入聚乙烯醇4g，氧化铜粉末4g，氧化铁粉末4g，搅拌均匀，铝溶胶40g，8000转/分的高速剪切搅拌40min，得到涂覆液。
将涂覆液喷涂到陶瓷蜂窝载体上(型号HA-01，中海油天津化工研究设计院。载体重量200g，尺寸100*100*40mm，吸水10～30％)，80℃烘干2hr，反复喷涂，直至涂覆液全部喷涂至载体上，110℃干燥4hr，400℃焙烧4hr，得到成品光催化剂。催化剂活性组分含量列于表1。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
实施例4：
活性组分溶液配置时，表面活性剂选择六亚甲基四胺，其余催化剂制备步骤同实施例1。催化剂活性组分含量列于表1。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
实施例5：
活性组分溶液配置时，载体选择金属蜂窝载体(型号HB-01，中海油天津化工研究设计院。载体重量200g，尺寸100*100*40mm，吸水2～10％)，其余催化剂制备步骤同实施例1。催化剂活性组分含量列于表1。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
实施例6：
活性组分溶液配置时，粘结剂选择硅溶胶，其余催化剂制备步骤同实施例1。催化剂活性组分含量列于表1。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
比较例1：
将15kg的氧化铈，0.2kg的贵金属加入84.8kg的氧化铝粉末中球磨成粉末，将球磨后的粉末与水按照1:2.5的比例混合，搅拌均匀成浆液，调pH值至7，对金属蜂窝载体进行挂浆涂覆，150℃烘干50min，400℃焙烧，制得成品催化剂。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
比较例2：
将5.5g钛酸四丁酯，3.2g醋酸，0.2g铁电气石，44g无水乙醇混合并连续搅拌1hr制成悬浊液，在强烈搅拌的同时，将22g无水乙醇和0.52g去离子水的混合溶液缓慢滴加到上述悬浮液中，搅拌2hr，再将22g无水乙醇和0.0005g硝酸亚铈的混合溶液滴加到上述悬浮液中，最后加入2.5g浓盐酸，搅拌1hr，制得复合溶胶，将此溶胶喷涂到陶瓷蜂窝载体上。催化剂活性组分含量列于表1。
该催化剂以如实施例1中的方法测试，其催化剂的评价结果见表2。
表1 催化剂的活性组分含量
表2 不同光催化剂的催化活性
Claims (2)
1.一种用于处理挥发性有机物的光催化剂的制备方法，其特征在于：
以二氧化钛为主活性组分，添加过渡金属为助剂，采用常温喷涂工艺，负载在金属或陶瓷蜂窝载体上；
包括如下步骤：
A)将硫酸氧钛溶于去离子水，用5-25％氨水溶液调节pH值至7～10后，将得到的白色沉淀离心洗涤，再将沉淀与去离子水混合打浆，搅拌条件下用H2O2和HCl调节pH值在7～10之间，得到钛溶胶；
B)在步骤A)中得到的钛溶胶中添加表面活性剂，搅拌条件下加入金属氧化物微粉，并添加粘结剂，2000～15000转/分的转速下高速剪切搅拌10min～3hr后制成稳定的涂覆涂层液；
C)将步骤B)得到的涂层液均匀的喷涂在金属或陶瓷蜂窝载体上，60～180℃烘干1～10小时，反复喷涂1～6次，于200～900℃条件下焙烧1～10小时得到成品催化剂；得到的涂覆型TiO2光催化剂，其中TiO2的含量为0.1～20wt％；
所述的表面活性剂选用吐温-80，司盘-20，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵，六亚甲基四胺中一种或几种，加入量为钛溶胶质量的0.1～20％；
所述的金属氧化物微粉选用钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锡、铈中一种或几种，加入量为硫酸氧钛质量的5～50％，所述的金属氧化物微粉具有如下性质：比表面大于50m2/g，孔容大于0.1ml/g，氧化物粒度小于2mm；
所述的粘结剂选用硅溶胶、铝溶胶、磷酸-氧化铜粘结剂中的一种或几种，粘结剂加入量为钛溶胶质量的10～90％；
所述的金属或陶瓷蜂窝载体中，金属蜂窝载体是铝合金、铁合金或钛合金支撑蜂窝状，陶瓷蜂窝载体采用氧化铝、氧化硅或堇青石的一种或几种，制成蜂窝状。
2.按照权利要求1所述的催化剂制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：
A)将硫酸氧钛溶于去离子水，用10-20％氨水溶液调节pH值至7～10后，将得到的白色沉淀离心洗涤，再将沉淀与去离子水混合打浆，搅拌条件下用H2O2和HCl调节pH值在7～10之间，得到钛溶胶；
B)在步骤A)中得到的钛溶胶中添加表面活性剂，搅拌条件下加入金属氧化物微粉，并添加粘结剂，3000～12000转/分的转速下高速剪切搅拌20min～2hr后制成稳定的涂覆涂层液；
C)将步骤B)得到的涂层液均匀的喷涂在金属或陶瓷蜂窝载体上，80～150℃烘干2～9小时，反复喷涂2～5次，于300～800℃条件下焙烧2～9小时得到成品催化剂；得到的涂覆型TiO2光催化剂，其中TiO2的含量为0.5～10wt％；
所述的表面活性剂选用吐温-80，司盘-20，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，十六烷基三甲基溴化铵，六亚甲基四胺中一种或几种，加入量为钛溶胶质量的0.5～10％；
所述的金属氧化物粉末选用钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锡、铈中一种或几种，加入量为硫酸氧钛质量的10～40％，所述的金属氧化物粉末具有如下性质：比表面大于60m2/g，孔容大于0.2ml/g，氧化物粒度小于1mm；
所述的粘结剂选用硅溶胶、铝溶胶、磷酸-氧化铜粘结剂中的一种或几种，粘结剂加入量为钛溶胶质量的20～80％；
所述的金属或陶瓷蜂窝载体中，金属蜂窝载体是铝合金、铁合金或钛合金支撑蜂窝状，陶瓷蜂窝载体采用氧化铝、氧化硅或堇青石的一种或几种，制成蜂窝状。
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