CN105797762B - 一种光催化陶粒及制备方法和应用 - Google Patents

一种光催化陶粒及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光催化陶粒及制备方法和应用。首先采用污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙等原材料制成陶粒,再将通过溶胶‑凝胶法制成的Sm掺杂TiO2纳米粉体,经水热法制成TiO2纳米管并完成其与陶粒的负载,最后将多孔陶粒在N2条件下进行气相烧结完成N元素对TiO2纳米管的掺杂改性。本发明涉及到的原料廉价、工艺细腻,所制备的陶粒粒径均匀、大小可调,所负载的改性TiO2纳米管长度适中、管径均匀、比表面积大,与陶粒间具有很强的附着力且光催化活性高,可用于有机废水的光催化处理,亦可用于气相有机物的氧化降解。

Description

一种光催化陶粒及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及光催化材料技术领域,具体涉及一种光催化陶粒及制备方法和应用,更具体的涉及一种负载钐、氮共掺杂钛纳米管的光催化陶粒及制备方法和应用。
背景技术
半导体光催化技术在近年来发展迅猛,其中坚力量尤以TiO2为甚。通常TiO2有三种晶型:锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。从1972年Fujishima等发现二氧化钛在光照条件下将水分解为H2和O2后,科研工作者对二氧化钛的研究从未停止。二氧化钛作为一种n型半导体其禁带宽度较宽,在锐钛矿晶型下禁带宽度为3.2ev,在金红石晶型下禁带宽度为3.0ev,当其受到波长小于或等于387.5nm的紫外光照射时,价带电子获得能量被激发到导带,这样就形成了价带电子和导带空穴,也就是电子-空穴对。空穴具有极强的氧化性,能直接与附着于二氧化钛表面的有机物发生氧化还原反应,并将其氧化成水和二氧化碳等无害物质,也能与附着在二氧化钛表面的氢氧根离子和水发生反应,将其氧化成羟基自由基(·OH),羟基自由基同样具有很强的氧化性,能够氧化分解多种有机物。而光生电子也会与附着在二氧化钛表面的氧气发生反应生成超氧阴离子自由基(·O2-),该自由基同样具有很强的氧化性,能够使有机物氧化分解。由于二氧化钛自身条件受限,导致其只能利用在自然光中所占比例极小的紫外光,科研工作者为使其广泛的利用所占比例巨大的可见光进行了很多的探索,如改变材料粒径将其做成纳米级别、掺杂等。
纳米TiO2是20世纪80年代后期出现的一种新型半导体材料。它是指TiO2三维尺寸介于1nm-100nm之间。当TiO2为纳米级别时,其自身具有诸多不同于普通TiO2的新型特征,如:表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等。主要表现为比表面原子比例高、比表面积大、表面晶格缺陷度大、表面能高、熔点低等特点,因而具有优越的光学、电学、磁学、热学、光催化性能,在光电转换及光催化降解大气和水中的有机污染物等诸多方面具有广阔的应用前景。
科学家为了进一步提高纳米TiO2的性能,在碳纳米管的启发下制备出来TiO2纳米管,TiO2纳米管具有比纳米粉体和薄膜更大的比表面积,在光催化方面具有更高的原子利用率,是一种进一步提高其光催化性能的新途径。近几年来,对TiO2纳米管的掺杂改性已经取得了许多重要成果,但共掺杂的改性则报道的较少且没有找到一种廉价的负载材料使其与TiO2纳米管结合。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足,提供一种负载钛纳米管的光催化陶粒及其制备方法,将TiO2纳米管和价廉的载体结合起来,提高催化剂的性能。
为了实现上述目的,本发明的技术方案之一是:一种光催化陶粒,所述光催化陶粒是以改性TiO2纳米粉体和陶粒载体为原料,经水热处理和N2氛围焙烧得到。
其中,所述改性TiO2纳米粉体是以含改性元素的化合物、钛源为原料,采用溶胶-凝胶法制备得到。
所述改性元素选自Sm、La、Eu中的一种或几种,优选为Sm。
当所述改性元素为Sm时,该Sm元素可由硝酸钐、锆酸钐、硫酸钐、醋酸钐中的一种或多种提供,优选为硝酸钐。
当所述改性元素为La时,该La元素可由硫酸镧、硝酸镧、氯化镧中的一种或多种提供,优选为硫酸镧。
当所述改性元素为Eu时,该Eu元素可由硝酸铕、氯化铕、硫酸铕中的一种或多种提供,优选为硝酸铕。
所述钛源选自钛酸四丁酯、四氯化钛、钛酸四异丙酯中的一种或几种,优选为钛酸四丁酯。
所述改性TiO2纳米粉体可采用本领域公知的溶胶-凝胶法制备得到,本发明优选按照如下方法制备:
将含改性元素化合物分散在pH 1-3的醇溶液中得A溶液,将钛源加入醇溶剂中得B溶液,将B溶液滴加到A溶液中,搅拌形成凝胶,经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末,将所述TiO2粉末于350-450℃煅烧即得。
优选地,按摩尔比,Ti:改性元素=(50-150):1,优选为100:1。
优选地,所述醇选自乙醇、甲醇、丙醇中的一种或多种,优选为乙醇。
优选地,含改性元素化合物与醇溶液的重量体积比(g:mL)为1:(100-200),优选为1:150;钛源与醇溶剂的体积比为1:(2-4),优选为1:3。
在一种优选的实施方式中,通过如下方法能够制备得到Sm掺杂改性的TiO2纳米粉体:按摩尔比Ti:Sm=(50-150):1,将硝酸钐分散在乙酸调节pH 1-3的乙醇溶液中,记为A溶液,将钛酸四丁酯加入乙醇溶剂中得B溶液,将B溶液滴加到A溶液中,搅拌形成凝胶,经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末,将所述TiO2粉末于350-450℃煅烧即得。
可采用与Sm掺杂改性的TiO2纳米粉体相似的方法制备La或Eu掺杂改性的TiO2纳米粉体。
所述陶粒载体是以污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙为原料,经造粒、烧结得到。
其中,所述污泥为污水处理过程中产生的半固体或固体物质,其含水率为90%-99%,本发明所述污泥可来自普通污水处理厂,以污泥作为陶粒的原料,是一种废物再利用,实现了以废治废,此外,粘土及其他原料成本极低,非常适合于大规模应用。
优选地,按重量份计,所述陶粒是由30-50份污泥,30-50份粘土,10-20份活性炭或木屑,10-20份氢氧化钙制备得到的。其中,所述粘土选自高岭土、膨润土、活性白土中的一种或几种。
在优选的实施方式中,陶粒可采用如下原料制备得到:
(1)40份污泥,40份高岭土,10份木屑,10份氢氧化钙;
(2)50份污泥,30份膨润土,10份活性炭,15份氢氧化钙;
(3)30份污泥,50份活性白土,20份木屑,10份氢氧化钙。
所述重量份为本领域公知的μg、mg、g、kg等重量单位,或为其倍数,如1/100,1/10,10倍,100倍等。
陶粒可按本领域常规技术手段制备,即先将各原料混合均匀调制成泥浆,然后采用造粒机将泥浆制成所需形状的泥粒,晾干成泥坯,然后进行烧结。所述泥粒的形状可为球状、棒状等,本发明优选将陶粒制备成粒径2-6mm的球状颗粒。
本发明优选按照以下条件对泥坯进行烧结:以不超过100℃/h的速率升温至550-600℃,保温1.5-2h,以100-110℃/h的升温速率继续升温至800-1100℃,保温2.5-4h,以150-200℃/h的速率降至室温。
采用上述方法制备得到的陶粒粒径均匀,是一种具有较强吸附能力的多孔状材料,一方面对废水或空气中的有机物具有一定的吸附作用,另一方面,其巨大的比表面积有利于负载其上的TiO2纳米管与有机污染物有更大的接触面积,提高催化降解性能,此外,陶粒的孔隙率、孔径、外形尺寸可根据需要自由调节,适用于不同环境。
本发明采用污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙为原料制成多孔状陶粒,然后通过水热法和气相烧结法在所述陶粒的表面包覆一层改性TiO2纳米管,其采用的原料廉价,成功地将TiO2纳米管负载在陶粒上,提高了光催化陶粒在紫外-可见光区对有机污染物的催化降解性能。
本发明的技术方案之二是:一种制备光催化陶粒的方法,将改性TiO2纳米粉体和陶粒混合后,以碱液为介质在110-130℃反应20-30h,过滤,酸洗和/或水洗陶粒至中性,将陶粒在N2氛围中于550-650℃焙烧5-7h即得。
其中,所述TiO2纳米粉体可采用上述任意一种,所述陶粒也可采用上述任意一种,在此不做赘述。
优选地,改性TiO2纳米粉体和陶粒的重量比为1:(5-15),进一步优选为1:10。
其中,所述碱液为碱性物质的水溶液,所述碱性物质可选自氢氧化钠、氢氧化钾,本发明优选氢氧化钠水溶液,碱液的用量以能够没过陶粒为宜。优选地,碱液的pH值为9-11。
在一种优选的实施方式中,所述光催化陶粒是通过如下方法制备得到的:按照Sm掺杂TiO2纳米粉体和陶粒的重量比为1:10,将Sm掺杂TiO2纳米粉体和陶粒置于pH=10的碱液中混合均匀,使混合溶液在120℃反应24h,过滤,依次酸洗、水洗陶粒至中性,将陶粒在N2氛围中于600℃焙烧6h即得负载Sm,N共掺杂TiO2纳米管的光催化陶粒。
负载La,N共掺杂TiO2纳米管的光催化陶粒,或负载Eu,N共掺杂TiO2纳米管的光催化陶粒的制备方法同负载Sm,N共掺杂TiO2纳米管的光催化陶粒。
本发明制备得到的光催化陶粒将TiO2纳米管的掺杂改性和TiO2纳米管的固定化结合起来,一方面将TiO2纳米管固定在多孔陶粒上,解决了传统TiO2光催化材料在应用中难回收、易聚集的问题。另一方面,对负载的TiO2纳米管进行了掺杂改性,拓宽了传统TiO2光催化材料的光响应波长范围,提高了其光催化活性,使其在紫外-可见光范围内均具有良好的光催化能力。
本发明的技术方案之三是:上述任意一种方法制备得到的光催化陶粒。
本发明的技术方案之四是:上述任意一种光催化陶粒在有机废水处理及气相有机物氧化降解中的应用。
其中,光催化陶粒对有机废水和气相有机物氧化降解的处理方法为本领域技术人员知晓,可按照本领域常规技术手段进行,本发明对此不做特殊限定。
本发明涉及的“有机”或“有机物”指的是甲醛、苯系物、有机氯化物、多环芳烃等物质,即本发明的光催化陶粒对这些有机物具有良好的催化降解能力。
本发明涉及到的原料或试剂均可市购获得。
在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可相互组合,即得本发明各较佳实施例。
附图说明
图1为实施例1光催化陶粒的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。实施例中涉及到的陶粒载体和改性TiO2纳米粉体可通过如下方法制备得到:
(一)陶粒载体的制备方法
(1)取污泥40份,高岭土40份,木屑10份,氢氧化钙10份,均为重量份。将上述原料充分混和、搅拌,调制成泥浆,使用造粒机将泥浆制成直径2mm的球形颗粒,晾干成坯;
(2)将步骤(1)制得的泥坯置于高温烧结炉中,以80℃/h的升温速率升温至550℃保温2h,然后以100℃/h的升温速率继续升温至1000℃保温3h,停止加热,以150℃/h的速率将炉温降至室温,得到多孔状陶粒,备用。
(二)陶粒载体的制备方法
(1)取污泥50份,膨润土30份,活性炭10份,氢氧化钙15份,均为重量份。将上述原料充分混和、搅拌,调制成泥浆,使用造粒机将泥浆制成直径4mm的球形颗粒,晾干成坯;
(2)将步骤(1)制得的泥坯置于高温烧结炉中,以80℃/h的升温速率升温至600℃保温2h,然后以100℃/h的升温速率继续升温至1100℃保温2.5h,停止加热,以200℃/h的速率将炉温降至室温,得到多孔状陶粒,备用。
(三)陶粒载体的制备方法
(1)取污泥30份,活性白土50份,木屑20份,氢氧化钙10份,均为重量份。将上述原料充分混和、搅拌,调制成泥浆,使用造粒机将泥浆制成直径6mm的球形颗粒,晾干成坯;
(2)将步骤(1)制得的泥坯置于高温烧结炉中,以100℃/h的升温速率升温至550℃保温2h,然后以100℃/h的升温速率继续升温至900℃保温3h,停止加热,以150℃/h的速率将炉温降至室温,得到多孔状陶粒,备用。
稀土改性TiO2纳米粉体的制备方法如下:
(一)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法
按Ti:Sm=50:1(摩尔比)称取钛酸丁酯20ml,硝酸钐0.5224g。将硝酸钐分散在75mL乙酸调节pH=2的乙醇溶液中,记为A溶液;将钛酸丁酯溶解在60mL乙醇中,记为B溶液。对A溶液进行搅拌,同时将B溶液慢慢滴加到A溶液中,持续搅拌直至形成均匀的凝胶,经陈化、干燥、研磨得到掺杂TiO2粉末,再将其在400℃下高温焙烧即可得到Sm掺杂的改性TiO2纳米粉体。
(二)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法
该制备方法同(1)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法,其区别仅在于:Ti与Sm的摩尔比为100:1,硝酸钐的用量为0.2612g。
(三)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法
该制备方法同(1)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法,其区别仅在于:Ti与Sm的摩尔比为150:1,硝酸钐的用量为0.1741g。
(四)La改性TiO2纳米粉体的制备方法
该制备方法同(1)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法,其区别仅在于:此例采用硫酸镧为原料,且Ti与La的摩尔比为50:1。
(五)Eu改性TiO2纳米粉体的制备方法
该制备方法同(1)Sm改性TiO2纳米粉体的制备方法,其区别仅在于:此例采用硝酸铕为原料,且Ti与Eu的摩尔比为50:1。
实施例1
一种制备光催化陶粒的方法,按1:10的比例将Sm掺杂TiO2纳米粉体和多孔陶粒置于pH为10的NaOH水溶液中,NaOH水溶液的用量以能够没过多孔陶粒为宜;磁力搅拌10min,超声振荡30min;完成后将样品倒入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中,在120℃下反应24h,在自然条件下冷却至室温,过滤后将多孔陶粒置于稀盐酸溶液中进行酸洗,然后用去离子水进行水洗直至多孔陶粒呈中性;将多孔陶粒置于N2气氛炉中在600℃下进行高温焙烧即可得到负载Sm、N共掺杂TiO2纳米管的光催化陶粒。
其中,Sm掺杂TiO2纳米粉体采用第(一)种方法制备得到的产品,多孔陶粒采用第(一)种方法制备得到的产品。
实施例2
一种制备光催化陶粒的方法,该实施例的制备方法同实施例1,区别仅在于:Sm掺杂TiO2纳米粉体采用第(二)种方法制备得到的产品,多孔陶粒采用第(二)种方法制备得到的产品。
实施例3
一种制备光催化陶粒的方法,该实施例的制备方法同实施例1,区别仅在于:Sm掺杂TiO2纳米粉体采用第(三)种方法制备得到的产品,多孔陶粒采用第(三)种方法制备得到的产品。
实施例4
一种制备光催化陶粒的方法,该实施例的制备方法同实施例1,区别仅在于:采用La掺杂TiO2纳米粉体和第(二)种方法制备得到的多孔陶粒。
实施例5
一种制备光催化陶粒的方法,该实施例的制备方法同实施例1,区别仅在于:采用Eu掺杂TiO2纳米粉体和第(二)种方法制备得到的多孔陶粒。
实施例1制备得到的光催化陶粒的扫描电镜照片如图1所示,从图中可以看出,陶粒上确实负载有TiO2纳米管。
对比例1
该对比例的制备方法同实施例1,其区别仅在于:采用的Sm掺杂TiO2纳米粉体是按照Ti:Sm=20:1(摩尔比)制备得到的。
对比例2
该对比例的制备方法同实施例3,其区别仅在于:采用的Sm掺杂TiO2纳米粉体是按照Ti:Sm=180:1(摩尔比)制备得到的。
对比例3
该对比例的制备方法同实施例3,其区别仅在于:Sm掺杂TiO2纳米粉体与多孔陶粒的重量比为1:20。
实验例1
采用实施例1,2,3,4,5,对比例1,2,3制备得到的光催化陶粒对空气中的甲醛进行了吸附实验。
设备及样品:体积1m3的玻璃箱2个,1g/L甲醛水溶液10ml,移液管一支,实施例2所述负载改性TiO2的光催化陶粒1g,甲醛检测仪。
实验过程:
(1)用移液管取2ml上述甲醛水溶液滴入一个玻璃箱中,密封;
(2)将1g实施例2所述负载改性TiO2的光催化陶粒置于另一个玻璃箱中,然后用移液管取2ml上述甲醛水溶液滴入其中,密封。
(3)将两个封好的玻璃箱置于太阳光下暴晒2h,然后在两个玻璃箱上各开一个小孔,用甲醛检测仪分别检测两个玻璃箱中的甲醛浓度。
以上是以实施例2的光催化陶粒为例的实验操作过程,其他实施例及对比例的操作同该实验过程。实验结果如表1所示:
表1实施例1-5,对比例1-3测试结果
箱中甲醛浓度(mg/m<sup>3</sup>) 甲醛去除率(%)
对照 1.97
实施例1 0.04 97.9
实施例2 0.11 94.2
实施例3 0.12 93.7
实施例4 0.17 91.6
实施例5 0.13 93.4
对比例1 0.08 95.6
对比例2 0.15 92.5
对比例3 0.23 88.4
虽然,上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验,对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (17)

1.一种光催化陶粒,其特征在于,采用包括如下步骤的方法制备而成:将改性TiO2纳米粉体和陶粒以重量比1:(5-15)混合后,以碱液为介质在110-130℃反应20-30h,过滤,酸洗和/或水洗陶粒至中性,将陶粒在N2氛围中于550-650℃焙烧5-7h即得;
所述改性TiO2纳米粉体是以含改性元素的化合物、钛源为原料,采用溶胶-凝胶法制备得到,所述改性元素为Sm;所述改性TiO2纳米粉体制备方法为:按照摩尔比Ti:改性元素=50:1,将含改性元素化合物分散在pH 1-3的醇溶液中得A溶液,将钛源加入醇溶剂中得B溶液,将B溶液滴加到A溶液中,搅拌形成凝胶,经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末,将所述TiO2粉末于350-450℃煅烧即得。
2.根据权利要求1所述的光催化陶粒,其特征在于:所述陶粒载体是以污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙为原料,经造粒、烧结得到。
3.一种制备光催化陶粒的方法,其特征在于:将改性TiO2纳米粉体和陶粒以重量比1:(5-15)混合后,以碱液为介质在110-130℃反应20-30h,过滤,酸洗和/或水洗陶粒至中性,将陶粒在N2氛围中于550-650℃焙烧5-7h即得;
所述改性TiO2纳米粉体是以含改性元素的化合物、钛源为原料,采用溶胶-凝胶法制备得到,所述改性元素为Sm;所述改性TiO2纳米粉体制备方法为:按照摩尔比Ti:改性元素=50:1,将含改性元素化合物分散在pH 1-3的醇溶液中得A溶液,将钛源加入醇溶剂中得B溶液,将B溶液滴加到A溶液中,搅拌形成凝胶,经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末,将所述TiO2粉末于350-450℃煅烧即得。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:改性TiO2纳米粉体和陶粒的重量比为1:10。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述醇选自乙醇、甲醇、丙醇中的一种或多种。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法,其特征在于:所述含改性元素化合物选自硝酸钐、硫酸钐、醋酸钐中的一种或几种;
所述钛源选自钛酸四丁酯、四氯化钛、钛酸四异丙酯中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述含改性元素化合物为硝酸钐。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述钛源为钛酸四丁酯。
9.根据权利要求3-5、7、8任一项所述的制备方法,其特征在于:含改性元素化合物与醇溶液的质量体积比为1:(100-200);
钛源与醇溶剂的体积比为1:(2-4)。
10.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:含改性元素化合物与醇溶液的质量体积比为1:(100-200);
钛源与醇溶剂的体积比为1:(2-4)。
11.根据权利要求3-5、7、8、10任一项所述的制备方法,其特征在于:按重量份计,所述陶粒是将30-50份污泥,30-50份粘土,10-20份活性炭或木屑,10-20份氢氧化钙混合均匀制成泥浆,造粒,晾干成泥坯后,按照如下条件烧结得到:以不超过100℃/h的速率升温至550-600℃,保温1.5-2h,以100-110℃/h的升温速率继续升温至800-1100℃,保温2.5-4h,以150-200℃/h的速率降至室温。
12.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:按重量份计,所述陶粒是将30-50份污泥,30-50份粘土,10-20份活性炭或木屑,10-20份氢氧化钙混合均匀制成泥浆,造粒,晾干成泥坯后,按照如下条件烧结得到:以不超过100℃/h的速率升温至550-600℃,保温1.5-2h,以100-110℃/h的升温速率继续升温至800-1100℃,保温2.5-4h,以150-200℃/h的速率降至室温。
13.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于:按重量份计,所述陶粒是将30-50份污泥,30-50份粘土,10-20份活性炭或木屑,10-20份氢氧化钙混合均匀制成泥浆,造粒,晾干成泥坯后,按照如下条件烧结得到:以不超过100℃/h的速率升温至550-600℃,保温1.5-2h,以100-110℃/h的升温速率继续升温至800-1100℃,保温2.5-4h,以150-200℃/h的速率降至室温。
14.根据权利要求11所述的制备方法,其特征在于:所述粘土选自高岭土、膨润土中的一种或几种。
15.根据权利要求12或13所述的制备方法,其特征在于:所述粘土选自高岭土、膨润土中的一种或几种。
16.根据权利要求11所述的制备方法,其特征在于:所述粘土为活性白土。
17.权利要求1-2任一项所述的光催化陶粒或权利要求3-16任一方法制备得到的光催化陶粒在有机废水处理及气相有机物氧化降解中的应用。
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