CN104941553A - 纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法：准备透明材质的微通道反应器清洁处理后备用；将钛源加到酸的水溶液或氨水中，搅拌形成纳米二氧化钛溶胶；将纳米二氧化钛溶胶注入备用的微通道反应器的通道内，停留5～30min，再将去离子水注入微通道反应器的通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器；将其置于500～1000W的红外光源下光照后，依次用酸性洗液、去离子水超声清洗通道，即得纳米二氧化钛修饰的微通道反应器；本发明制备方法工艺简单，易实现工业化生产，制备的微通道反应器通道密度高，具有便捷、高效的特点。

Description

纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法

(一)技术领域

本发明涉及纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法，所述反应器可用于光催化污水处理，属于无机材料涂层、微通道反应器设计和水处理领域。

(二)背景技术

二氧化钛由于其具有化学性能稳定、无毒、生物相容性好、光电性能和光催化性能优异、资源丰富等特点，使之成为目前最具有潜力的光催化材料，已成为污水处理的新的研究热点。然而，二氧化钛光催化技术总体仍处于实验室和理论探索阶段，主要是由于目前作为光催化反应的主体设备二氧化钛光催化反应器的催化剂活性的发挥不充分，以及对光源的利用不足，直接影响了二氧化钛光催化剂的光利用率，导致光催化性能较低，从而对污染物的降解速率不高。如何提高对光源的利用率以及使催化剂活性得到最大限度的发挥成为反应器研制和开发的重点课题。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法，本发明制备的反应器具有较好的稳定性、可提高光照面积和水处理接触面积，可用于污水处理领域的光催化污水处理。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法，所述的制备方法包括如下所述的步骤：

(1)微通道反应器预处理

准备透明材质的微通道反应器清洁处理后备用；

(2)纳米二氧化钛溶胶制备

将钛源加到酸的水溶液或氨水中，在25～50℃下以50～100rpm搅拌2～10h，形成纳米二氧化钛溶胶；所述的钛源选自下列之一：钛酸四丁酯、四氯化钛、硫酸钛或钛酸四乙酯；所述酸的水溶液中酸的浓度为1wt％～5wt％，所述的酸选自下列之一：硫酸、盐酸、醋酸或硝酸，所述酸的水溶液的体积用量以所述钛源中钛元素的质量计为15～30mL/g；所述氨水的浓度为1wt％～5wt％，所述氨水的体积用量以所述钛源中钛元素的质量计为15～30mL/g；

(3)纳米二氧化钛溶胶粒子修饰微通道反应器

将步骤(2)制备的纳米二氧化钛溶胶以10～100g/min的速率注入步骤(1)准备好的微通道反应器的通道内，停留5～30min，再将去离子水以10～100g/min的速率注入微通道反应器的通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器；

(4)纳米二氧化钛修饰微通道反应器

将步骤(3)制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于500～1000W的红外光源下，距离光源20～40cm，光照10～30min后，依次用酸性洗液、去离子水超声清洗通道40～60min，即得纳米二氧化钛修饰的微通道反应器。

本发明所述的制备方法，步骤(1)中，所述的透明材质主要为透明玻璃。

步骤(1)中，通常所述微通道反应器的通道直径为0.1～5mm，长度为20～100m。

步骤(1)中，所述的清洁处理是：先用水清洗微通道反应器，再将NaOH水溶液以10～100g/min的速率注入微通道反应器的通道内洗涤，最后用去离子水清洗。优选所述的NaOH水溶液中NaOH的浓度为1wt％～10wt％。

步骤(4)中，所述的酸性洗液具体是由酸与水混合配制而成，所述的酸选自硫酸或盐酸，配制得到的酸性洗液中酸的浓度为1wt％～3wt％。

本发明的有益效果在于：

(1)制备方法工艺简单，易实现工业化生产；

(2)通过本发明方法制备的微通道反应器，通道密度高，污水在通道中与催化剂二氧化钛粒子接触时间长、接触面积大，可促进污水中有机物的降解速率和效率；

(3)本发明制得的微通道反应器具有占地面积小、便捷、高效的特点。

(四)具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

准备通道直径为0.1mm，长度为20m的玻璃材质微通道反应器，先用水清洗通道灰尘，然后将浓度为1wt％NaOH水溶液以10g/min速率注入通道内，洗除污垢，最后用去离子水清洗，备用。以钛酸四丁酯(170g)为钛源，加入浓度为1wt％硫酸水溶液(500mL)，25℃下，以50rpm搅拌2h，形成纳米二氧化钛溶胶。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶以10g/min的速率注入准备好的微通道反应器通道内，停留5min，再将去离子水以10g/min的速率注入微通道反应器通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于500W红外光源下，距离光源20cm，光照10min。依次用2wt％硫酸洗液和去离子水超声清洗通道40min，获得纳米二氧化钛修饰的微通道反应器。

光催化效果测试方法：在紫外灯距离微通道反应器10cm条件下，以20mg/L的有机染料甲基橙溶液为降解对象，使甲基橙溶液在0.1MPa的压力下注入上述制备的纳米二氧化钛修饰的微通道反应器，测试其在500w纯紫外光照射下的降解率。

光催化效果：在紫外灯照射30分钟后，橙色溶液变为无色透明。通过分光光度计检测剩余浓度，计算得到甲基橙降解率为90.73％。

实施例2

准备通道直径为1mm，长度为40m的玻璃材质微通道反应器，先用水清洗通道灰尘，然后将浓度为3wt％NaOH水溶液以25g/min速率注入通道内，洗除污垢，最后用去离子水清洗，备用。以钛酸四乙酯(228g)为钛源，加入浓度为2wt％硝酸溶液(1L)，35℃下，以60rpm搅拌4h，形成纳米二氧化钛溶胶。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶以30g/min的速率注入准备好的微通道反应器通道内，停留10min，再将去离子水以30g/min的速率注入微通道反应器通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于500W红外灯光源下，距离光源20cm，光照20min。依次用3wt％硫酸洗液和去离子水超声清洗通道50min，获得纳米二氧化钛修饰的微通道反应器。

光催化效果测试方法同实施例1。

光催化效果：在紫外灯照射30分钟后，橙色溶液变为无色透明。通过分光光度计检测剩余浓度，计算得到甲基橙降解率为89.26％。

实施例3

准备通道直径为2mm，长度为60m的玻璃材质微通道反应器，先用水清洗通道灰尘，然后将浓度为5wt％NaOH水溶液以50g/min速率注入通道内，洗除污垢，最后用去离子水清洗，备用。以四氯化钛(190g)为钛源，加入浓度为3wt％氨水(800mL)，40℃下，以80rpm搅拌6h，形成纳米二氧化钛溶胶。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶以50g/min的速率注入准备好的微通道反应器通道内，停留15min，再将去离子水以50g/min的速率注入微通道反应器通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于1000W红外灯光源下，距离光源30cm，光照30min。依次用1wt％硫酸洗液和去离子水超声清洗通道60min，获得纳米二氧化钛修饰微通道反应器。

光催化效果测试方法同实施例1。

光催化效果：在紫外灯照射30分钟后，橙色溶液变为无色透明。通过分光光度计检测剩余浓度，计算得到甲基橙降解率为93.56％。

实施例4

准备通道直径为3mm，长度为80m的玻璃材质微通道反应器，先用水清洗通道灰尘，然后将浓度为7wt％NaOH水溶液以80g/min速率注入通道内，洗除污垢，最后用去离子水清洗，备用。以硫酸钛(160g)为钛源，加入浓度为4wt％盐酸溶液(1L)，45℃下，以90rpm搅拌8h，形成纳米二氧化钛溶胶。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶以70g/min的速率注入准备好的微通道反应器通道内，停留20min，再将去离子水以70g/min的速率注入微通道反应器通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于1000W红外灯光源下，距离光源30cm，光照25min。依次用1wt％硫酸洗液和去离子水超声清洗通道40min，获得纳米二氧化钛修饰微通道反应器。

光催化效果测试方法同实施例1。

光催化效果：在紫外灯照射30分钟后，橙色溶液变为无色透明。通过分光光度计检测剩余浓度，计算得到甲基橙降解率为95.18％。

实施例5

准备通道直径为5mm，长度为100m的玻璃材质微通道反应器，先用水清洗通道灰尘，然后将浓度为10wt％NaOH水溶液以100g/min速率注入通道内，洗除污垢，最后用去离子水清洗，备用。以钛酸四丁酯(340g)为钛源，加入浓度为5wt％醋酸溶液(1L)，50℃下，以100rpm搅拌10h，形成纳米二氧化钛溶胶。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶以100g/min的速率注入准备好的微通道反应器通道内，停留30min，再将去离子水以100g/min的速率注入微通道反应器通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器。将上述制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于1000W红外灯光源下，距离光源20cm，光照15min。依次用3wt％硫酸洗液和去离子水超声清洗通道60min，获得纳米二氧化钛修饰微通道反应器。

光催化效果测试方法同实施例1。

光催化效果：在紫外灯照射30分钟后，橙色溶液变为无色透明。通过分光光度计检测剩余浓度，计算得到甲基橙降解率为89.43％。

对比例

选取实施例1中通道直径为0.1mm，长度为20m的玻璃材质微通道反应器，经过同样的清洗过程，先用水清洗通道灰尘，然后将浓度为1wt％NaOH水溶液以10g/min速率注入通道内，洗除污垢，最后用去离子水清洗直接进行光催化效果测试。

光催化效果测试方法：在紫外灯距离微通道反应器10cm条件下，以20mg/L的有机染料甲基橙溶液为降解对象，使甲基橙溶液在0.1MPa的压力下注入上述未经修饰的微通道反应器，测试其在500w纯紫外光照射下的降解率。

光催化效果：在紫外灯照射30分钟后，橙色溶液仍然保持橙色。通过分光光度计检测剩余浓度，计算得到甲基橙降解率为4.17％。

Claims (6)

1.一种纳米二氧化钛修饰的微通道反应器的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下所述的步骤：

(1)微通道反应器预处理

准备透明材质的微通道反应器清洁处理后备用；

(2)纳米二氧化钛溶胶制备

将钛源加到酸的水溶液或氨水中，在25～50℃下以50～100rpm搅拌2～10h，形成纳米二氧化钛溶胶；所述的钛源选自下列之一：钛酸四丁酯、四氯化钛、硫酸钛或钛酸四乙酯；所述酸的水溶液中酸的浓度为1wt％～5wt％，所述的酸选自下列之一：硫酸、盐酸、醋酸或硝酸，所述酸的水溶液的体积用量以所述钛源中钛元素的质量计为15～30mL/g；所述氨水的浓度为1wt％～5wt％，所述氨水的体积用量以所述钛源中钛元素的质量计为15～30mL/g；

(3)纳米二氧化钛溶胶粒子修饰微通道反应器

将步骤(2)制备的纳米二氧化钛溶胶以10～100g/min的速率注入步骤(1)准备好的微通道反应器的通道内，停留5～30min，再将去离子水以10～100g/min的速率注入微通道反应器的通道内清洗，得到纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器；

(4)纳米二氧化钛修饰微通道反应器

将步骤(3)制备的纳米二氧化钛溶胶粒子修饰的微通道反应器置于500～1000W的红外光源下，距离光源20～40cm，光照10～30min后，依次用酸性洗液、去离子水超声清洗通道40～60min，即得纳米二氧化钛修饰的微通道反应器。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的透明材质为透明玻璃。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述微通道反应器的通道直径为0.1～5mm，长度为20～100m。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的清洁处理是：先用水清洗微通道反应器，再将NaOH水溶液以10～100g/min的速率注入微通道反应器的通道内洗涤，最后用去离子水清洗。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的NaOH水溶液中NaOH的浓度为1wt％～10wt％。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的酸性洗液由酸与水混合配制而成，所述的酸选自硫酸或盐酸，配制得到的酸性洗液中酸的浓度为1wt％～3wt％。