CN103570065B - 一种介孔TiO2球的双模板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种介孔TiO2球的双模板制备方法,步骤如下:分别制备壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液;将上述两种溶液按一定比例混合,形成混合溶液;使用注射器将混合溶液滴加到氢氧化钠溶液中,瞬间形成壳聚糖/PVA水凝胶微球;静置过夜,待完全固化后,依次用双蒸水、乙醇、异丙醇浸泡30min,过滤,得溶涨的有孔微球;将微球在异丙醇钛溶液中浸泡48h;将负载有异丙醇钛的壳聚糖/PVA微球浸入过量的水中24h,将所得微球用水洗,除去在有孔壳聚糖/PVA聚合物表面上淀积的氢氧化钛;所得微球进行干燥,直到恒重;将所得样品煅烧得到介孔TiO2球。本发明制备简便,制得的TiO2具有介孔结构,吸附性和光催化性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种介孔TiO2球的双模板制备方法。
背景技术
工业废水中往往含有种类繁多的有机污染物,其中不少属于难生物降解的有机物,可在相当长的时间内存留于环境中。在绿色环保风起云涌的今天,操作简便、成本低廉、氧化能力强、不形成二次污染的光降解催化处理废水技术倍受关注。开发水体污染物综合治理的新型水处理材料和新型工艺,控制有毒有机污染物已成为环境领域亟待解决的关键问题之一。
早在20世纪70年代,日本学者Fujishima和Honda等就发现利用二氧化钛(TiO2)半导体单晶电极可发生光催化使水分解成氢和氧。随后大量研究表明,光催化反应能将有机污染物完全矿化成CO2、H2O等无机小分子物质;且反应条件温和,能耗低,安全无毒,操作简便,被视为一种理想的高效、低耗的绿色环境治理技术而受到环境专家的关注和推崇。但是用传统方法制备TiO2,制得的TiO2较致密,吸附和光催化性能差,且处理后难分离。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的传统方法制得的TiO2致密,吸附和光催化性能差,且处理后难分离的问题,提供一种介孔TiO2球的双模板制备方法,该方法制备简便,制得的TiO2具有介孔结构,具有吸附性能和光催化性能好的优点。
本发明是这样实现的,一种介孔TiO2球的双模板制备方法,该制备方法包括以下步骤:
步骤一,分别制备壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液;
步骤二,将上述两种溶液按照一定比例在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液;
步骤三,使用注射器将混合溶液滴加到摩尔浓度为0.5M的氢氧化钠溶液中,瞬间形成壳聚糖/PVA水凝胶微球,粒径为2-3mm;
步骤四,静置过夜,待完全固化后,依次用双蒸水、乙醇、异丙醇浸泡30min,过滤,制得溶涨的有孔微球;
步骤五,室温下将壳聚糖/PVA水凝胶微球在异丙醇钛溶液中浸泡48h,异丙醇钛分子扩散到壳聚糖/PVA聚合物基体中,壳聚糖/PVA水凝胶球由透明的浅白色变成不透明的乳白色。
步骤六,将负载有异丙醇钛的壳聚糖/PVA微球浸入过量的水中24h,异丙醇钛在壳聚糖/PVA水凝胶球的聚合物基体内发生水解,将所得的微球用水洗,以除去在有孔壳聚糖/PVA聚合物表面上淀积的氢氧化钛;
步骤七,所得微球在烘箱中于60℃进行干燥,直到恒重;
步骤八,将干燥后所得样品在空气中于400~700℃煅烧4h以除去模板,得到介孔TiO2球,加热速率为1℃/min。
进一步,步骤一的配置步骤为:将2g壳聚糖粉末溶解在500mL的5%乙酸水溶液中,得到壳聚糖乙酸溶液;将2克聚乙烯醇粉末溶解在50mL双蒸水,在70±1℃,在机械搅拌下,溶解,得到聚乙烯醇水溶液。
进一步,步骤二中,壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液按照体积比1∶1在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液。
进一步,所述注射器带有内径为0.8mm的针头。
进一步,步骤八中,将干燥后所得样品在空气中于500℃煅烧4h,加热速率为1℃/min。
本发明的介孔TiO2球的双模板制备方法,采用瞬时凝胶方法制备了壳聚糖/PVA凝胶微球,本发明的介孔TiO2球的双模板制备方法,制备简便,制得的TiO2具有介孔结构,具有吸附性能和光催化性能好的优点。
附图说明
图1是本发明实施例1至实施例4制备的介孔TiO2球的N2吸附-脱附等温曲线图;
图2是实施例1至实施例4制备的介孔TiO2球的X射线衍射图;
图3本发明实施例1制备得到的介孔TiO2球的扫描电镜(SEM)图;
图4本发明实施例1制备得到的介孔TiO2球的BJH孔径分布曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的介孔TiO2球的双模板制备方法,该制备方法包括以下步骤:
步骤一,分别制备壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液;
步骤二,将上述两种溶液按照一定比例在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液;
步骤三,使用注射器将混合溶液滴加到摩尔浓度为0.5M的氢氧化钠溶液中,瞬间形成壳聚糖/PVA水凝胶微球,粒径为2-3mm;
步骤四,静置过夜,待完全固化后,依次用双蒸水、乙醇、异丙醇浸泡30min,过滤,制得溶涨的有孔微球;
步骤五,室温下将壳聚糖/PVA水凝胶微球在异丙醇钛溶液中浸泡48h,异丙醇钛分子扩散到壳聚糖/PVA聚合物基体中,壳聚糖/PVA水凝胶球由透明的浅白色变成不透明的乳白色。
步骤六,将负载有异丙醇钛的壳聚糖/PVA微球浸入过量的水中24h,异丙醇钛在壳聚糖/PVA水凝胶球的聚合物基体内发生水解,将所得的微球用水洗,以除去在有孔壳聚糖/PVA聚合物表面上淀积的氢氧化钛;
步骤七,所得微球在烘箱中于60℃进行干燥,直到恒重;
步骤八,将干燥后所得样品在空气中于400~700℃煅烧4h以除去模板,得到介孔TiO2球,加热速率为1℃/min。
本发明实施例中,步骤一的配置步骤为:将2g壳聚糖粉末溶解在500mL的5%乙酸水溶液中,得到壳聚糖乙酸溶液;将2克聚乙烯醇粉末溶解在50mL双蒸水,在343±1K,在机械搅拌下,溶解,得到聚乙烯醇水溶液。
本发明实施例中,步骤二中,壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液按照体积比1∶1在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液。
本发明实施例中,所述注射器带有内径为0.8mm的针头。
作为本发明实施例的一优化方案,步骤八中,将干燥后所得样品在空气中于500℃煅烧4h,加热速率为1℃/min。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例的介孔TiO2球的双模板制备方法按以下步骤实施:
步骤一,分别制备壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液:将2g壳聚糖粉末溶解在50mL的5%乙酸水溶液中,得到壳聚糖乙酸溶液;将2克聚乙烯醇粉末溶解在50mL双蒸水,在70±1℃,在机械搅拌下,溶解,得到聚乙烯醇水溶液。
步骤二,将上述壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液按照体积比1∶1在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液。
步骤三,使用带有内径为0.8mm的针头的注射器将混合溶液滴加到摩尔浓度为0.5M的氢氧化钠溶液中,瞬间形成壳聚糖/PVA水凝胶微球,粒径为2-3mm;
步骤四,静置过夜,待完全固化后,依次用双蒸水、乙醇、异丙醇浸泡30min,过滤,制得溶涨的有孔微球;
步骤五,室温下将壳聚糖/PVA水凝胶微球在异丙醇钛溶液中浸泡48h,异丙醇钛分子扩散到壳聚糖/PVA聚合物基体中,壳聚糖/PVA水凝胶球由透明的浅白色变成不透明的乳白色。
步骤六,将负载有异丙醇钛的壳聚糖/PVA微球浸入过量的水中24h,异丙醇钛在壳聚糖/PVA水凝胶球的聚合物基体内发生水解,将所得的微球用水洗,以除去在有孔壳聚糖/PVA聚合物表面上淀积的氢氧化钛;
步骤七,所得微球在烘箱中于60℃进行干燥,直到恒重;
步骤八,将干燥后所得样品在空气中于400~700℃煅烧4h以除去模板,得到介孔TiO2球,加热速率为1℃/min,优选地,煅烧温度为500℃。
实施例1:
将2g壳聚糖粉末溶解在500mL的5%乙酸水溶液中,得到壳聚糖乙酸溶液;将2克聚乙烯醇粉末溶解在50mL双蒸水,在70±1℃,在机械搅拌下,溶解,得到聚乙烯醇水溶液。将上述壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液按照体积比1∶1在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液。使用带有内径为0.8mm的针头的注射器将混合溶液滴加到摩尔浓度0.5M的500mL氢氧化钠溶液中,瞬间形成壳聚糖/PVA水凝胶微球,粒径为2-3mm;静置过夜,待完全固化后,依次用双蒸水、乙醇、异丙醇浸泡30min,过滤,制得溶涨的有孔微球;室温下将壳聚糖/PVA水凝胶微球在异丙醇钛溶液中浸泡48h,异丙醇钛分子扩散到壳聚糖/PVA聚合物基体中,壳聚糖/PVA水凝胶球由透明的浅白色变成不透明的乳白色。将负载有异丙醇钛的壳聚糖/PVA微球浸入过量的水中24h,异丙醇钛在壳聚糖/PVA水凝胶球的聚合物基体内发生水解,形成有孔道的氢氧化钛/壳聚糖/PVA球,将所得的微球用水洗,以除去在有孔壳聚糖/PVA聚合物表面上淀积的氢氧化钛;微球在烘箱中于60℃进行干燥,直到恒重;将干燥后所得样品在空气中于500℃煅烧4h以除去模板,得到介孔TiO2球,加热速率为1℃/min,煅烧过的材料标记为TS-500,得到的介孔TiO2球的BJH孔径分布曲线如图(4)所示,TiO2球的孔径为13.57nm,孔体积为0.354cm3/g,表明制备得到的TS-400的TiO2球为介孔材料。
实施例2:
与实施例1不同的是,煅烧温度为400℃,煅烧过的材料标记为TS-400,TiO2球的孔径为10.11nm,孔体积为0.376cm3/g,表明制备得到的TS-400的TiO2球为介孔材料。
实施例3:
与实施例1和2不同的是,煅烧温度为600℃,煅烧过的材料标记为TS-600,TiO2球的孔径为19.95nm,孔体积为0.272cm3/g,表明制备得到的TS-400的TiO2球为介孔材料。
实施例4:
与实施例1-3不同的是,煅烧温度为700℃,煅烧过的材料标记为TS-700,TiO2球的孔径为29.24nm,孔体积为0.119cm3/g表明制备得到的TS-400的TiO2球为介孔材料。
本发明实施例1至实施例4制备的介孔TiO2球的N2吸附-脱附等温曲线图如图1所示,从图1中可以看出,该曲线为IV形吸附曲线并有H1型迟滞环,说明所制备得到的二氧化钛为有序介孔结构,采用BET公式根据氮气吸附-脱附等温线中吸附曲线计算出来的比表面积是:实施例1的TS-500是74m2/g;实施例2的TS-400是106m2/g;实施例3的TS-600是37m2/g;实施例4的TS-700是13m2/g。
图2是实施例1至实施例4制备的介孔TiO2球的X射线衍射图。从图2可以看出,在低于500℃煅烧时,随着煅烧温度增加,TiO2球的锐钛型晶体的对应峰越来越强。然而,当煅烧温度增加到600℃时,TiO2球中除了锐钛型晶体外,出现晶红石型晶型的对应XRD峰。当煅烧温度继续增加到700℃时,TiO2球主要以晶红石型晶体为主。考虑到锐钛型TiO2光催化活性比晶红石型TiO2光催化活性要高,故煅烧温度控制在500℃比较合适。
图3本发明实施例1制备得到的介孔TiO2球的扫描电镜(SEM)图。从图3(a)可以看出,介孔TiO2球的直径约为1.5mm左右,同时从图3(b)和图3(c)可以看出,在TiO2球的表面呈蜂窝状,存在许多分布均匀和规整的孔道。
使用本发明实施例1至实施例4制备得到的介孔TiO2球进行光催化降解苯酚性能试验,随着煅烧温度增加,TiO2球对苯酚的降解作用是先增加再下降,使用本发明实施例1的TS-500光催化活性最好。
综上,本发明制备介孔TiO2球的最优煅烧温度为500℃。
本发明的介孔TiO2球的双模板制备方法,制备简便,制得的TiO2球具有介孔结构,具有吸附性能和光催化性能好的优点。由于球体直径约为1.5mm,光催化过程后方便从处理水体中回收催化剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种介孔TiO2球的双模板制备方法,其特征在于,该制备方法包括以下步骤:
步骤一,分别制备壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液;
步骤二,壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液按照体积比1∶1在70±1℃机械搅拌下混合,形成混合溶液;
步骤三,使用注射器将混合溶液滴加到摩尔浓度为0.5M的氢氧化钠溶液中,瞬间形成壳聚糖/PVA水凝胶微球,粒径为2-3mm;
步骤四,静置过夜,待完全固化后,依次用双蒸水、乙醇、异丙醇浸泡30min,过滤,制得溶胀的有孔壳聚糖/PVA水凝胶微球;
步骤五,室温下将溶胀的有孔壳聚糖/PVA水凝胶微球在异丙醇钛溶液中浸泡48h,异丙醇钛分子扩散到壳聚糖/PVA聚合物基体中,壳聚糖/PVA水凝胶球由透明的浅白色变成不透明的乳白色;
步骤六,将负载有异丙醇钛的壳聚糖/PVA微球浸入过量的水中24h,异丙醇钛在壳聚糖/PVA水凝胶球的聚合物基体内发生水解,将所得的微球用水洗,以除去在有孔壳聚糖/PVA聚合物表面上淀积的氢氧化钛;
步骤七,所得微球在烘箱中于60℃进行干燥,直到恒重;
步骤八,将干燥后所得样品在空气中于500℃煅烧4h以除去模板,得到介孔TiO2球,加热速率为1℃/min;
其中,步骤一的配置步骤为:将2g壳聚糖粉末溶解在500mL的5%乙酸水溶液中,得到壳聚糖乙酸溶液;将2克聚乙烯醇粉末溶解在50mL双蒸水,在70±1℃,在机械搅拌下,溶解,得到聚乙烯醇水溶液;所述注射器带有内径为0.8mm的针头。
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