CN105749951A - 一种负载有光催化剂的软性材料及其水体修复方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载有光催化剂的软性材料，包括软性材料以及负载于软性材料上的光催化剂，光催化剂为元素掺杂改性的TiO2，将该负载有光催化剂的软性材料漂浮于待修复的水体中，用于对水体中有机污染物的处理。本发明水体修复方法是将改性的TiO2负载于软性材料上，然后将其设置于待修复的水体中，通过自然光或人工光源照射激发光催化剂，使其与水分子产生具有强氧化性的羟基自由基（相当于得到了强氧化剂），从而对水体中难降解的有机污染物实现了快速降解，本发明水体修复方法处理效率高，处理周期短，运行成本低，维护管理方便，特别适用于水源地水质的修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载有光催化剂的软性材料，还涉及上述负载有光催化剂的软性材料的水体修复方法以及其在降解水体中有机污染物方面的应用，属于水环境修复技术领域。
背景技术
水环境中的有机微污染物，主要包括：常规难以生物降解的有机污染物，如城镇污水处理厂尾水中残留的COD；农村面源污染经过径流带入到水体中的农药、除草剂等持久性有机污染物；经各种途径到水体中的护肤品、抗生素等新兴污染物。
目前常用的水体修复方法为生物修复技术和生态修复技术，前者包括微生物修复技术、植物修复技术和动物修复技术等，后者包括人工湿地、稳定塘、仿生水草、生态浮床等。无论是生物修复技术，还是生态修复技术，对于上述的微污染物，都存在处理效率低、周期长、维护复杂的问题，处理效果上微生物和水生植物都会收到温度的影响，维护上微生物需要富集或购买微生物制剂，水生植物需要育苗、引种、养护和换茬，这些问题都会影响到修复技术实际应用的效果，因此要真正发挥生物修复或生态修复的作用，需要投入大量的人力成本，加强季节性的维护和管理。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种负载有光催化剂的软性材料。
本发明还要解决的技术问题是提供所述负载有光催化剂的软性材料水体修复方法，该方法能够有效处理水体中的有机微污染物，且处理效率高，处理周期短，维护方便。
本发明最后要解决的技术问题是提供上述负载有光催化剂的软性材料在降解水体中有机污染物方面的应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种负载有光催化剂的软性材料，包括软性材料以及负载于所述软性材料上的光催化剂，所述光催化剂为元素掺杂改性的TiO2，所述软性材料为硅胶。
上述负载有光催化剂的软性材料的水体修复方法，包括如下步骤：
步骤1，制备元素掺杂改性的TiO2；元素掺杂改性的TiO2不仅在紫外光下而且在可见光下均具有良好的光催化活性；
步骤2，通过胶接方式将改性后的TiO2负载于软性材料上；
步骤3，将步骤2负载有光催化剂的软性材料通过绳子悬挂的方式漂浮于待修复的水体中，其中，每立方米水体中，光催化剂的含量为1kg～3kg。
其中，所述软性材料还可以为无纺布、毛毡或泡沫陶瓷，优选硅胶，本发明所选用的软性材料为密度小于水的柔性材料，在水中性质稳定，不易老化，不易被光催化剂氧化，对水生态环境无影响，且负载性好。
其中，所述元素掺杂改性的TiO2为掺杂有Fe3+的TiO2，或掺杂有N的TiO2，或同时掺杂有N和Fe3+的TiO2，TiO2上掺杂Fe3+或N，均不会对水体造成二次污染。
其中，所述掺杂有Fe3+的TiO2中Fe3+的掺杂量为0.5％～2.5％(质量百分比)。
其中，步骤2中，还可以采用浸渍法将改性后的TiO2负载于软性材料上。
其中，步骤3中，还可以通过浮床搭载、锚固定或绳悬挂方式将负载有光催化剂的软性材料漂浮于待修复的水体中。
上述负载有光催化剂的软性材料在降解水体中有机污染物方面的应用。
有益效果：相比于现有技术，本发明的水体修复方法能够用于修复受到农药、除草剂等持久性有机污染物污染的水源地水体或受到抗生素污染的水源地水体，本方法处理效率高，处理周期短，其是将元素掺杂改性的TiO2负载于软性材料上，然后将其设置于待修复的水体中，通过自然光或人工光源照射激发光催化剂，使其与水分子产生具有强氧化性的羟基自由基(相当于得到了强氧化剂)，从而对水体中难降解的有机污染物实现了快速降解；另外，该工艺是将负载有光催化剂的软性材料直接放入水体中，不单独占地，因此充分节约了土地资源；最后工艺中的软性材料便于布置和回收，运行成本低，维护管理方便。
附图说明
图1为本发明负载有光催化剂的软性材料的结构示意图；
图2为将本发明负载有光催化剂的软性材料通过浮床搭载方式设置于待修复水体中的示意图；
图3为将本发明负载有光催化剂的软性材料通过锚固定方式设置于待修复水体中的示意图；
图4为将本发明负载有光催化剂的软性材料通过绳子悬挂方式设置于待修复水体中的示意图；
图5为将本发明负载有光催化剂的软性材料通过绳子悬挂方式设置于待修复水体中的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明负载有光催化剂的软性材料，包括软性材料以及通过胶接方式或采用浸渍法负载于软性材料上的光催化剂，光催化剂全面覆盖在软性材料表面，且光催化剂不发生堆积，光催化剂为掺杂有Fe3+的TiO2，或掺杂有N的TiO2，或同时掺杂有N和Fe3+的TiO2，软性材料为硅胶、无纺布、毛毡或泡沫陶瓷，该软性材料为密度小于水的柔性材料，在水中性质稳定，不易老化，不易被光催化剂氧化，对水生态环境无影响，且负载性好，本发明负载有光催化剂的软性材料在使用过程中不受温度的影响。
如图2～5所示，分别将本发明负载有光催化剂的软性材料通过浮床搭载、锚固定和绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中；
采用浮床搭载方式一般应用在水面比较开阔、水深较深的水环境中，如水库、湖泊或河流，浮床能够使软性材料悬浮于水体上层，从而能够保证光线与软性材料上的光催化剂充分接触，增加光降解效率；
采用锚固定方式一般应用在水深较浅的水环境中，如池塘、小溪或小河中，该方式能够将整个材料固定在水体中，在保证光线与软性材料上光催化剂充分接触的基础上，还拥有景观效果；
采用绳子悬挂方式一般应用在城市内河中，该方式不需要增加浮床或锚固定软性材料，且容易安装，在保证光线与软性材料上光催化剂充分接触的基础上，还能节省材料。
本发明负载有光催化剂的软性材料水体修复方法能够用于修复受到农药、除草剂等持久性有机污染物污染的水源地水体或受到抗生素污染的水源地水体，软性材料上负载的光催化剂通过自然光或人工光源照射激发，与水分子产生强氧化作用，氧化降解水体中的微量有机污染物，降解效率高且不会对水环境产生二次污染。
当光催化剂失去活性时，可直接从支架上取出软性材料，更换上新的负载光催化剂的软性材料即可，对原来的材料进行回收处理后再利用。
实施例1
将掺杂有Fe3+的TiO2通过胶接法负载于软性材料硅胶布上(通过胶接的形式将光催化剂粘贴在软性材料的表面，使软性材料的表面全面覆盖有光催化剂，黏贴后需要进行适度的烤干处理)，将得到的材料通过绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的2，4-D，每一立方米水中，光催化剂的含量为2kg，水体中2，4-D的初始浓度为10mg/L，在太阳光下照射4h后，水体中2，4-D的浓度为4.45mg/L，本发明工艺对水体中2，4-D的去除率为55.5％。
实施例2
将掺杂有Fe3+的TiO2通过胶接法负载于软性材料硅胶布上(通过胶接的形式将光催化剂粘贴在软性材料的表面，使软性材料的表面全面覆盖有光催化剂，黏贴后需要进行适度的烤干处理)，将得到的材料通过绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的2，4-D，每一立方米水中，光催化剂的含量为2kg，水体中2，4-D的初始浓度为5mg/L，在太阳光下照射4h后，水体中2，4-D的浓度为1.64mg/L，本发明工艺对水体中2，4-D的去除率为67.2％。
实施例3
将掺杂有Fe3+的TiO2通过胶接法负载于软性材料硅胶布上(通过胶接的形式将光催化剂粘贴在软性材料的表面，使软性材料的表面全面覆盖有光催化剂，黏贴后需要进行适度的烤干处理)，将得到的材料通过绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的2，4-D，每一立方米水中，光催化剂的含量为1kg，水体中2，4-D的初始浓度为10mg/L，在太阳光下照射4h后，水体中2，4-D的浓度为5.43mg/L，本发明工艺对水体中2，4-D的去除率为45.6％。
实施例4
将掺杂有Fe3+的TiO2通过胶接法负载于软性材料硅胶布上(通过胶接的形式将光催化剂粘贴在软性材料的表面，使软性材料的表面全面覆盖有光催化剂，黏贴后需要进行适度的烤干处理)，将得到的材料通过绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的2，4-D，每一立方米水中，光催化剂的含量为3kg，水体中2，4-D的初始浓度为10mg/L，在太阳光下照射4h后，水体中2，4-D的浓度为5.02mg/L，本发明工艺对水体中2，4-D的去除率为49.7％。
通过实施例1～实施例4可知，本发明工艺对水体中的2，4-D污染物表现出良好的降解效果，对于相同初始浓度的2，4-D，每一立方米水中，并不会随着光催化剂的含量越大，其去除率更好，其存在一个最佳含量值；而2，4-D的初始浓度越小，本发明工艺对其的去除率越好。
对比实施例1
利用人工湿地水体修复方式对水体中2，4-D进行去除，当水体中2，4-D的初始浓度为10mg/L，修复一个月后，水体中2，4-D的去除率为26％，当水体中2，4-D的初始浓度为5mg/L，修复一个月后，水体中2，4-D的去除率为30％。
实施例5
将同时掺杂有N和Fe3+的TiO2通过胶接法负载于软性材料硅胶布上(通过胶接的形式将光催化剂粘贴在软性材料的表面，使软性材料的表面全面覆盖有光催化剂，黏贴后需要进行适度的烤干处理)，将得到的材料通过绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的阿特拉津，每一立方米水中，光催化剂的含量为4kg，水体中阿特拉津的初始浓度为10mg/L，在太阳光下照射6h后，水体中阿特拉津的浓度为4..92mg/L，本发明工艺对水体中阿特拉津的去除率为50.2％。
实施例6
将同时掺杂有N和Fe3+的TiO2通过胶接法负载于软性材料硅胶布上(通过胶接的形式将光催化剂粘贴在软性材料的表面，使软性材料的表面全面覆盖有光催化剂，黏贴后需要进行适度的烤干处理)，将得到的材料通过绳子悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的阿特拉津，每一立方米水中，光催化剂的含量为4kg，水体中阿特拉津的初始浓度为5mg/L，在太阳光下照射6h后，水体中阿特拉津的浓度为2..02mg/L，本发明工艺对水体中阿特拉津的去除率为54.2％。
对比实施例2
利用人工湿地水体修复方式对水体中阿特拉津进行去除，当水体中阿特拉津的初始浓度为5mg/L，水力负荷为400mm·d-1，水力停留时间为4d时，水体中阿特拉津的去除率为25％，当水力停留时间为10d时，水体中阿特拉津的去除率为30％；当水体中阿特拉津的初始浓度为10mg/L，水力负荷为400mm·d-1，水力停留时间为4d时，水体中阿特拉津的去除率为16％，当水力停留时间为10d时，水体中阿特拉津的去除率为21％。
实施例7
将掺杂有N的TiO2通过浸渍法负载于泡沫陶瓷上，泡沫陶瓷通过麻绳串联起来，将得到的材料通过绳子悬挂或浮床悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的啶酰菌胺，每一立方米水中，光催化剂的含量为4kg，水体中啶酰菌胺的初始浓度为5mg/L，在太阳光下照射3h后，水体中啶酰菌胺的浓度为2.33mg/L，本发明工艺对水体中啶酰菌胺的去除率为53.4％。
实施例8
将掺杂有N的TiO2通过浸渍法负载于泡沫陶瓷上，泡沫陶瓷通过麻绳串联起来，将得到的材料通过绳子悬挂或浮床悬挂方式漂浮于待修复的水体中，在太阳光下光催化降解水体中的啶酰菌胺，每一立方米水中，光催化剂的含量为4kg，水体中啶酰菌胺的初始浓度为10mg/L，在太阳光下照射3h后，水体中啶酰菌胺的浓度为4.63mg/L，本发明工艺对水体中啶酰菌胺的去除率为50.4％。
对比实施例3
利用人工湿地水体修复方式对水体中啶酰菌胺进行去除，当水体中啶酰菌胺的初始浓度为5mg/L，水力负荷为400mm·d-1，水力停留时间为4d时，水体中啶酰菌胺的去除率为28％，当水力停留时间为10d时，水体中啶酰菌胺的去除率为32％；当水体中啶酰菌胺的初始浓度为10mg/L，水力负荷为400mm·d-1，水力停留时间为4d时，水体中啶酰菌胺的去除率为18％，当水力停留时间为10d时，水体中啶酰菌胺的去除率为22％。
通过对比实施例1～3可知，本发明的水体修复方法在修复受到农药、除草剂等有机污染物污染的水体时表现良好，处理效率高，处理时间短。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，这些引伸出的变化或变动也处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种负载有光催化剂的软性材料，其特征在于：包括软性材料以及负载于所述软性材料上的光催化剂，所述光催化剂为元素掺杂改性的TiO2，所述软性材料为硅胶。
2.一种权利要求1所述负载有光催化剂的软性材料的水体修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备元素掺杂改性的TiO2；
步骤2，通过胶接方式将改性后的TiO2负载于软性材料上；
步骤3，将步骤2负载有光催化剂的软性材料通过绳子悬挂的方式漂浮于待修复的水体中，其中，每立方米水体中，光催化剂的含量为1kg~3kg。
3.根据权利要求1所述负载有光催化剂的软性材料，其特征在于：所述软性材料还可以为无纺布、毛毡或泡沫陶瓷。
4.根据权利要求1所述负载有光催化剂的软性材料，其特征在于：所述元素掺杂改性的TiO2为掺杂有Fe3+的TiO2，或掺杂有N的TiO2，或同时掺杂有N和Fe3+的TiO2。
5.根据权利要求4所述负载有光催化剂的软性材料，其特征在于：所述掺杂有Fe3+的TiO2中Fe3+的掺杂量为0.5%~2.5%。
6.根据权利要求2所述负载有光催化剂的软性材料的水体修复方法，其特征在于，步骤2中，还可以采用浸渍法将改性后的TiO2负载于软性材料上。
7.根据权利要求2所述负载有光催化剂的软性材料的水体修复方法，其特征在于，步骤3中，还可以通过浮床搭载、锚固定或绳悬挂方式将负载有光催化剂的软性材料漂浮于待修复的水体中。
8.一种权利要求1所述负载有光催化剂的软性材料在降解水体中有机污染物方面的应用。
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