CN103785390A - 一种铁电体-电气石等离子体催化剂、制备及应用 - Google Patents
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Abstract
一种铁电体-电气石等离子体催化剂、制备及应用，属于等离子体催化剂技术领域，具体涉及一种铁电体-电气石等离子体催化剂材料及其制备方法，可用于挥发性有机污染物的去除。催化剂制备步骤为：对电气石材料和铁电体材料进行预处理，超声分散，洗涤，抽滤，烘干；按一定质量比称量两种材料，将一定量的去离子水加入到称量好的铁电体材料中，超声分散后加入称量好的电气石材料，搅拌，烘干，焙烧，得到复合催化剂。本发明工艺简单，原料价廉，制备条件温和，操作简单，因此易于推广产业化和市场化。在制备过程中不产生对环境有污染的副产物，整个过程无污染，符合可持续发展的要求，是一种新型环保工艺。
Description
技术领域
本发明属于等离子体催化剂技术领域，具体涉及一种铁电体-电气石等离子体催化剂材料及其制备方法，可用于挥发性有机污染物的去除。
背景技术
随着经济发展和人们环保意识的提高，工业生产、交通运输和日常生活中排放出了大量的挥发性有机污染物（VOCs），这些有害物质由于其毒性或恶臭气味，严重影响着人们的身体健康及周围的大气环境状况，已引起世界各国的普遍重视。传统的VOCs净化技术包括催化燃烧、膜分离、冷凝、吸收吸附和生物过滤等，但其存在投资大、周期长、运行费用高等缺点。
传统等离子体降解污染物过程中会产生副产物，如臭氧、氮氧化物等，造成二次污染。因而将等离子体和催化联合应用于有机污染物的降解成为今年来研究热点，而催化剂研究则成为该技术实际应用的热点。在等离子体反应体系中引入适当的催化剂，可以选择性地与中间副产物发生反应，从而有效控制反应产物的生成与分布，进一步提高能量效率。等离子体催化剂的研究较多，如ZL200710009641.3和ZL01805477.3报道了将光催化材料TiO2应用于等离子体场中，从而提高污染物去除率；ZL201210034920.6则报道了制备铁电体材料与TiO2混合材料联合用于污染物的去除。在本发明中，首次将铁电体材料与电气石材料复合制备新型等离子体催化剂，达到提高污染物去除率并且降低能耗的双重目的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种操作简单、环境友好、经济的低温等离子体催化剂及其制备方法。本催化剂可直接应用于等离子体场中，可以提高污染物去除率并降低能耗，该种催化剂材料为铁电体材料和电气石材料的复合材料。
本发明提出一种新型等离子体催化剂复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）电气石材料预处理：取电气石粉末，置于容器中，先后分别用去离子水和盐酸溶液超声分散1～2h，静置，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）铁电体材料预处理：取铁电体粉末，置于容器中，用盐酸溶液超声分散1～2h，静置，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料分别置于研钵中反复研磨；
（4）称取一定量的铁电体材料，加入去离子水，混合溶液超声15～45min，加入一定量的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中300-400℃下焙烧2-4h（优选350℃下焙烧3h），得到复合催化剂，复合催化剂中铁电体材料与电气石材料质量百分含量配比为90%～60%：10%～40%，铁电体材料和电气石材料质量比优选为90%：10%。
在本发明等离子体催化剂复合材料中，电气石粉体平均粒径大小为0.3～1μm，铁电体粉体平均粒径大小为20～60nm，所制得的复合催化剂平均粒径大小为0.6μm。
在本发明中，电气石材料可为铁电气石、镁电气石、锂电气石或锰电气石；铁电体材料可为钛酸钡、钛酸锶或钛酸铅。
利用本发明所得的产物的结构、形貌、性能等测定采用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积分析仪（BET）等进行表征与测量，并且测试了其对污染物甲苯的去除效率及能耗情况。
一种根据上述方法制备得到的铁电体-电气石等离子体催化剂，包括铁电体材料与电气石材料，铁电体材料与电气石材料质量配比为90%～60%：10%～40%，电气石材料粉体平均粒径大小为0.3～1μm，铁电体材料粉体平均粒径大小为20～60nm，所制得的复合催化剂平均粒径大小为0.6μm。
本发明优点在于：
1.本发明工艺简单，原料价廉，制备条件温和，操作简单，因此易于推广产业化和市场化。
2.制得的催化剂为铁电体材料和电气石材料复合材料，可提高污染物的去除率，同时降低能耗。
3.本发明在制备过程中不产生对环境有污染的副产物，整个过程无污染，符合可持续发展的要求，是一种新型环保工艺。
4、催化剂使用工艺简单，不需要附加装置及其他条件，避免了二次污染的产生。
附图说明
图1为催化剂的SEM图（×300）；
图2为催化剂的SEM图（×1000）；
图3为实施例1中所得新型催化剂与无催化剂（空管）状态下去除甲苯效率比较图；
图4为实施例1中所得新型催化剂与ZL201210034920.6中催化剂去除甲苯效率比较图；
图5为实施例1中所得新型催化剂与ZL201210034920.6中催化剂能耗比较图；
图6为实施例2中所得新型催化剂去除甲苯效率图；
图7为实施例3中所得新型催化剂去除甲苯效率图；
图8为实施例4中所得新型催化剂去除甲苯效率图；
图9为实施例5中所得新型催化剂去除甲苯效率图。
具体实施方式
实施例1：
（1）取一定量的电气石粉末，置于烧杯中，先后用去离子水和盐酸溶液超声分散1h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）取一定量的铁电体粉末，置于烧杯中，用盐酸溶液超声分散1h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料置于研钵中反复研磨；
（4）将研磨后的钛酸钡与铁电气石材料按其质量比为90%：10%分别称量，将称量好的铁电体材料置于烧杯中，加入一定量的去离子水，混合溶液超声45min，加入称量好的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中350℃下焙烧3h，得到复合催化剂，对甲苯最高去除率可达85%。
实施例2：
（1）取一定量的电气石粉末，置于烧杯中，先后用去离子水和盐酸溶液超声分散1.5h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）取一定量的铁电体粉末，置于烧杯中，用盐酸溶液超声分散1.5h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料置于研钵中反复研磨；
（4）将研磨后的钛酸钡与铁电气石材料按其质量比为80%：20%分别称量，将称量好的铁电体材料置于烧杯中，加入一定量的去离子水，混合溶液超声30min，加入称量好的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中300℃下焙烧2.5h，得到复合催化剂，对甲苯最高去除率可达75%。
实施例3：
（1）取一定量的电气石粉末，置于烧杯中，先后用去离子水和盐酸溶液超声分散1h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）取一定量的铁电体粉末，置于烧杯中，用盐酸溶液超声分散1.5h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料置于研钵中反复研磨；
（4）将研磨后的钛酸钡与铁电气石材料按其质量比为70%：30%分别称量，将称量好的铁电体材料置于烧杯中，加入一定量的去离子水，混合溶液超声30min，加入称量好的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中380℃下焙烧2h，得到复合催化剂，对甲苯最高去除率可达69%。
实施例4：
（1）取一定量的电气石粉末，置于烧杯中，先后用去离子水和盐酸溶液超声分散1h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）取一定量的铁电体粉末，置于烧杯中，用盐酸溶液超声分散2h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料置于研钵中反复研磨；
（4）将研磨后的钛酸钡与铁电气石材料按其质量比为70%：30%分别称量，将称量好的铁电体材料置于烧杯中，加入一定量的去离子水，混合溶液超声35min，加入称量好的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中400℃下焙烧2h，得到复合催化剂，对甲苯最高去除率可达72%。
实施例5：
（1）取一定量的电气石粉末，置于烧杯中，先后用去离子水和盐酸溶液超声分散1.5h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）取一定量的铁电体粉末，置于烧杯中，用盐酸溶液超声分散2h，静置12h，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料置于研钵中反复研磨；
（4）将研磨后的钛酸钡与铁电气石材料按其质量比为60%：40%分别称量，将称量好的铁电体材料置于烧杯中，加入一定量的去离子水，混合溶液超声15min，加入称量好的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中350℃下焙烧4h，得到复合催化剂，对甲苯最高去除率可达70%。
Claims (8)
1.一种铁电体-电气石等离子体复合催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）电气石材料预处理：取电气石粉末，置于容器中，先后分别用去离子水和盐酸溶液超声分散1～2h，静置，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，置于烘箱中干燥备用；
（2）铁电体材料预处理：取铁电体粉末，置于容器中，用盐酸溶液超声分散1～2h，静置，再用去离子水多次洗涤粉末至中性，抽滤，烘干备用；
（3）将预处理后的铁电体材料和电气石材料分别置于研钵中反复研磨；
（4）称取一定量的铁电体材料，加入去离子水，混合溶液超声15～45min，加入一定量的电气石材料，搅拌12h，使其混合均匀，烘干，再在马弗炉中300-400℃下焙烧2-4h，得到复合催化剂，复合催化剂中铁电体材料与电气石材料质量百分含量配比为90%～60%：10%～40%。
2.根据权利要求1所述的铁电体-电气石等离子体复合催化剂的制备方法，其特征在于步骤（3）研磨后电气石材料粉体平均粒径大小为0.3～1μm，铁电体材料粉体平均粒径大小为20～60nm。
3.根据权利要求1所述的铁电体-电气石等离子体复合催化剂的制备方法，其特征在于所制得的复合催化剂平均粒径大小为0.6μm。
4.根据权利要求1所述的铁电体-电气石等离子体复合催化剂的制备方法，其特征在于电气石材料为铁电气石、镁电气石、锂电气石或锰电气石；铁电体材料为钛酸钡、钛酸锶或钛酸铅。
5.根据权利要求1所述的铁电体-电气石等离子体复合催化剂的制备方法，其特征在于步骤（4）马弗炉中350℃下焙烧3h。
6.一种根据权利要求1-5所述方法制备得到的铁电体-电气石等离子体复合催化剂，其特征在于，等离子体复合催化剂包括铁电体材料与电气石材料，铁电体材料与电气石材料质量百分含量配比为90%～60%：10%～40%，电气石材料粉体平均粒径大小为0.3～1μm，铁电体材料粉体平均粒径大小为20～60nm，所制得的复合催化剂平均粒径大小为0.6μm。
7.根据权利要求6的铁电体-电气石等离子体复合催化剂，其特征在于，铁电体材料和电气石材料质量百分含量为90%：10%。
8.权利要求6或7的的铁电体-电气石等离子体复合催化剂用于挥发性有机污染物的去除。
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