CN105688875B - 一种生物炭负载TiO2复合材料及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物炭负载TiO2复合材料的制备方法与用途,该复合材料以生物炭为基体,基体表面负载焙烧的TiO2。制备的具体步骤为:制备的顺序是先将生物质粉末浸入到钛酸四正丁酯和无水乙醇水溶液中,再制备含生物质的凝胶,最后通过管式气氛炉在N2氛围下将凝胶热解得到所述产品。本发明的生物炭负载TiO2复合材料的制备过程中,生物质的热解和TiO2的焙烧在同一个热处理过程中进行,缩减了制备费用和时间。该产品对废水中的染料具有良好的降解效果。
Description
技术领域
本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域,具体涉及一种生物炭负载TiO2复合材料的制备方法与用途。
背景技术
工业染料废水向水体的排放对环境生态系统的危害巨大。随着工业的迅速发展,大量的染料污染物排放到水体中,这些污染物数量庞大、降解速率慢、并对人类和动物具有毒性或致癌的作用。因此探索一种经济高效的用于工业废水排放前的脱色处理的技术非常必要。一般的染料废水处理方法有吸附、光催化降解、生物降解和膜过滤等。其中,光催化技术设备简单、易于操作、无二次污染、应用范围广,在实际的废水治理中已有应用。TiO2作为常用光催化材料,具有制备工艺简单、原材料低廉易得和无毒无害等优点,但粉末状TiO2在废水处理中存在分离和回收困难等问题。因此,研究开发新型负载TiO2高效的复合材料,已经成为TiO2用于水处理的发展和应用中的一个关键性科学技术问题。
TiO2是一类具有强氧化性和还原性的新型无机功能材料,它对废水中的有机物具有较好的去除能力。但在实际废水处理中存在分离和回收困难的问题,因而固定化光催化剂的研究备受到关注。生物炭是农业废弃物、固体废物、污泥等生物质在无氧或缺氧的条件下热解产生的含碳量较高的固体材料。生物炭稳定性高、比表面积大、孔隙结构好和官能团结构丰富。因此,生物炭具有良好的催化剂载体的潜力。通过适当的方法将TiO2组装在生物炭的表面,制成生物炭负载TiO2复合材料,能够增强富集目标污染物,捕获中间产物能力,还可以抑制水蒸汽对光催化的影响,提高TiO2对染料污染物的降解能力,同时与载体的结合还有助于光催化剂的有效分离与回收。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的技术问题,开发一种低价、高效的可用于光催化处理染料污染物的生物炭负载TiO2复合材料。
本发明提出的一种生物炭负载TiO2复合材料的制备方法,是将生物炭对TiO2进行功能化处理,这样制备的光催化剂可通过TiO2组装在生物炭表面,增加TiO2表面的吸附位点数量,具体步骤如下:
(1)将生物质原材料用去离子水清洗,然后在80℃下烘干24小时,将烘干后的生物质粉碎,并过2mm筛得到生物质粉末;
(2);将10mL钛酸四正丁酯缓慢加入到15ml无水乙醇中,混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌20min形成黄色澄清溶液;加入2g步骤(1)得到的生物质粉末搅拌30min,得到悬液A。
(3)将5ml冰乙酸和5mL去离子水与5mL无水乙醇混合,混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌10分钟,得到溶液B。
(4)在室温下将溶液B逐滴(速率在2滴/秒左右)加入步骤(1)得到的溶液A中,滴加结束后再持续利用恒温磁力搅拌器进行剧烈搅拌,使其酞酸四正丁酯水解。搅拌约20分钟,就可得到黄色的溶胶;将得到的溶胶在40℃老化2小时后,得到凝胶;然后再在80℃下烘干24小时,得到黄色晶体;
(5)将步骤(4)中得到的黄色晶体,充分研磨成极细微颗粒,放入管式气氛炉中热解烧制,热解过程中保持气氛炉的石英管密封,同时向管内以400mL/min的流速通入N2,以此来保持整个热解过程的厌氧条件,管式炉的升温程序设定为:从室温以7℃/min的升温速率加热上升到500℃,并在此温度条件下持续热解2小时,然后开始自然降温过程,在降温过程中保持N2以相同流速持续通入,冷却到室温后取出即得到所述复合材料。
上述制备方法中,制备的顺序是先将生物质粉末浸入到钛酸四正丁酯和无水乙醇水溶液中,再制备含生物质的凝胶,最后通过管式气氛炉在N2氛围下将凝胶热解得到所述产品。
上述制备方法中,生物炭的原材料选用农业废弃物、固体废物、污泥等生物质。
上述制备方法中,所述钛酸四正丁酯:无水乙醇:冰乙酸:水的体积比为2:4:1:1。
上述制备方法中,含有生物质的凝胶必须在烘箱中80℃下烘干24小时,以保证进入管式炉中热解之前的干燥状态。
上述制备方法中,管式炉的升温速率为7℃/min,最高温度为500℃,并在此温度条件下持续热解2小时。
利用本发明方法制备得到的生物炭负载TiO2复合材料去除废水中的染料。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1.生物炭的原料来源广泛,且价格低廉,主要原料为农业废弃物、固体废物、污泥等生物质;使用的化学药品钛酸四正丁酯、冰乙酸和无水乙醇等是常用的化工产品。
2.本发明的生物炭负载TiO2复合材料的制备工艺及操作简单,制备快速,生产周期短,产品回收率高,不需要特殊的化工设备,易于实现工业化生产。
3.本发明的生物炭负载TiO2复合材料的制备过程中,生物质的热解和TiO2的焙烧在同一个热处理过程中进行,缩减了制备费用和时间。
4.产品无毒,对环境友好。
5.本发明的生物炭负载TiO2复合材料对染料的去除效率高。
附图说明
图1是本发明实施例1的生物炭负载TiO2复合材料的扫描电镜示意图;
图2是本发明实施例1的生物炭负载TiO2复合材料的红外光谱示意图;
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1:
一种本发明所述的生物炭负载TiO2复合材料的制备,生物炭原材料选用去掉叶子和皮的苎麻杆,具体制备方法如下:
将去掉叶子和皮的苎麻杆用去离子水清洗,然后在80℃下烘干24小时,将烘干后的苎麻杆粉碎,并过2mm筛得到苎麻杆粉末;将10mL钛酸四正丁酯缓慢加入到15ml无水乙醇中,混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌20min形成黄色澄清溶液;加入2g的生物质粉末搅拌30min,得到悬液A;将5ml冰乙酸和5mL去离子水与5mL无水乙醇混合,混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌10分钟,得到溶液B。在室温下将溶液B逐滴(速率在2滴/秒左右,)加入溶液A中,滴加结束后再持续利用恒温磁力搅拌器进行剧烈搅拌,使其酞酸丁酯水解。搅拌约20分钟,就可得到黄色的溶胶;将得到的溶胶在40℃老化2小时后,得到凝胶;然后再在80℃下烘干24小时,得到黄色晶体;充分研磨成极细微颗粒,放入管式气氛炉中热解烧制,热解过程中保持气氛炉的石英管密封,同时向管内以400mL/min的流速通入N2,以此来保持整个热解过程的厌氧条件,管式炉的升温程序设定为:从室温以7℃/min的升温速率加热上升到500℃,并在此温度条件下持续热解2小时,然后开始自然降温过程,在降温过程中保持N2以相同流速持续通入,冷却到室温后取出即得到所述复合材料。
上述制得的生物炭负载TiO2复合材料外观呈黑色,将其置于扫描电镜下观察,其表面结构如图1所示,可以看出其表面均匀分布大量焙烧后的TiO2。材料在智能傅里叶红外光谱仪下观察,如图2所示,可以看到钛氧键的吸收峰,说明二氧化钛已成功负载到生物炭上。
实施例2:
本发明的生物炭负载TiO2复合材料处理废水中的番红花红T,包括以下步骤:
取50mL初始浓度为100~500mg/L的番红花红T溶液,加入实施例1制得的生物炭负载TiO2复合材料,该吸附剂的用量为0.1g,在27℃恒温培养箱中进行光催化反应,2小时后通过离心将该光催化剂从废水中分离,用分光光度计在530nm处测定废水中未被降解番红花红T的含量,计算的降解量结果如表1所示:
表1:不同番红花红T初始浓度条件下光催化剂的降解量数据
由表1可知,在初始浓度为50mg/L的条件下该催化剂剂具有23.3mg/g的降解量,并随初始浓度增加而增加,到500mg/L的条件下该催化剂的降解量达到228.8mg/g。
实施例3:
本发明的生物炭负载TiO2复合材料处理废水中的番红花红T,包括以下步骤:
取50mL初始浓度为500mg/L的番红花红T溶液,加入实施例1制得的生物炭负载TiO2复合材料,该催化剂的用量为0.05g,0.1g,0.15g,在27℃恒温培养箱中进行光催化反应,2小时后通过离心将该光催化剂从废水中分离,用分光光度计在530nm处测定废水中未被降解番红花红T的含量,计算的降解量结果如表2所示:
表2:不同催化剂量下对番红花红T的降解量数据
催化剂用量(g) | 0.05 | 0.1 | 0.15 |
降解量(mg/g) | 165.7 | 228.8 | 160.9 |
由表2可知,在初始浓度为500mg/L的条件下该催化剂降解量随催化剂增加呈先增大后减小的趋势,到0.1g的条件下该催化剂的降解量达到228.8mg/g。
实施例4:
本发明的生物炭负载TiO2复合材料处理废水中的亚甲基蓝,包括以下步骤:
取50mL初始浓度为50~500mg/L的亚甲基蓝溶液,加入实施例1制得的生物炭负载TiO2复合材料,该吸附剂的用量为0.1g,在27℃恒温培养箱中进行光催化反应,2小时后 通过离心将该光催化剂从废水中分离,用分光光度计在665nm处测定废水中未被降解亚甲基蓝的含量,计算的降解量结果如表2所示:
表3:不同亚甲基蓝初始浓度条件下光催化剂的降解量数据
由表3可知,在初始浓度为50mg/L的条件下该催化剂具有16mg/g的吸附量,并随初始浓度增加而增加,到500mg/L的条件下该催化剂的吸附量达到106.67mg/g。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种生物炭负载TiO2复合材料的制备方法,其特征在于所述复合材料包括生物炭基体,基体上负载有TiO2;所述的生物炭负载TiO2复合材料的制备顺序是先将生物质粉末浸入到钛酸四正丁酯和无水乙醇水溶液中,以制备含生物质的凝胶,最后通过管式气氛炉在N2氛围下将凝胶热解可得;具体步骤如下:
(1)将生物质原材料用去离子水清洗,然后在80℃下烘干24h,将烘干后的生物质粉碎,并过2mm筛得到生物质粉末;
(2)将10mL钛酸四正丁酯缓慢加入到15mL无水乙醇中,混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌20min形成黄色澄清溶液;加入2g步骤(1)得到的生物质粉末搅拌30min,得到悬液A;
(3)将5mL冰乙酸和5mL去离子水与5mL无水乙醇混合,混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌10min,得到溶液B;
(4)在室温下将溶液B逐滴加入步骤(1)得到的溶液A中,滴加结束后再持续利用恒温磁力搅拌器进行剧烈搅拌,使其酞酸四正丁酯水解;搅拌约20min,就可得到黄色的溶胶;将得到的溶胶在40℃老化2h后,得到凝胶;然后再在80℃下烘干24h,得到黄色晶体;
(5)将步骤(4)中得到的黄色晶体,充分研磨成极细微颗粒,放入管式气氛炉中热解烧制,热解过程中保持气氛炉的石英管密封,同时向管内以400mL/min的流速通入N2,以此来保持整个热解过程的厌氧条件,管式炉的升温程序设定为:从室温以7℃/min的升温速率加热上升到500℃,并在此温度条件下持续热解2h,然后开始自然降温过程,在降温过程中保持N2以相同流速持续通入,冷却到室温后取出即得到所述复合材料。
2.一种如权利要求1所述的生物炭负载TiO2复合材料制备方法制备的复合材料的用途,其特征在于用于去除废水中的染料。
3.根据权利要求2所述的用途,其特征在于所述复合材料在废水中用量为2.0g/L。
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