CN106057266B - 一种碳材料的光催化消解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳材料的光催化消解方法，目的在于提供一种在光照条件下温和消解碳材料的方法作为碳材料的后处理手段，特别针对放射性材料熔炼铸造过程使用过的碳坩埚、模具目前没有合适的后处理技术的问题，提供一条解决途径。该方法包括如下步骤：制备TiO2改性的碳材料、光催化消解TiO2改性的碳材料。本发明运用球磨对碳材料进行粒径降级、减层及TiO2改性处理，利用TiO2在光照下催化氧气生成强氧化基团的性能将处理后的碳材料氧化为气体。本发明提供的技术能够在光照条件下将碳材料转变为气体，其优点在于反应条件温和、能耗低、操作安全度高且利于碳材料上附着物（如催化剂、核素等）的回收。

Description

一种碳材料的光催化消解方法
技术领域
本发明涉及的是一种放射性污染材料处理方法，尤其是一种碳材料的光催化消解方法。
背景技术
碳材料在工业领域有诸多应用。在废水处理中，多孔碳是常用的污染物吸附剂；在工业催化中，碳材料是常用的催化剂载体；在核工业中，碳材料被用来制造放射性材料熔炼铸造过程使用的坩埚、模具。
相应地，在吸附达到饱和、催化剂失活以及放射性材料熔炼铸造完成后，需要对碳材料进行后处理。通常情况下，对作为吸附剂的碳材料，可采用合适的洗脱液脱除污染物实现再生；对作为催化剂载体的碳材料，采用燃烧氧化的方式将其转变为CO2以实现催化剂的回收；而对于放射性材料熔炼铸造过程使用过的碳坩埚、模具，由于其沾染放射性核素后属于特殊的放射性固体废物，目前还没有合适的后处理手段。
现有的碳材料后处理方法都有其局限性。例如，多孔碳在吸附某类不易脱附的放射性污染物后，若采用液体洗脱的方式再生多孔碳，将产生大量二次放射性液体，这与放射性废物最小化原则相悖，因而此方法不能被采用；以燃烧方式消解碳载体回收催化剂会涉及催化剂成份在高温气流带动下流失以及混杂于焚烧灰中不易回收等问题；对于放射性材料熔炼过程使用过的碳坩埚、模具，由于放射性核素是以浸润的方式粘附其上，因而无法用液体洗脱的方式脱除，以燃烧氧化消解此类石墨又存在极大的放射性气溶胶泄漏的隐患，因此，对于沾染了放射性活度水平较高的核素的碳坩埚、模具，上述的碳材料后处理方法已不再适用，目前亟待一种新技术以解决此问题。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种碳材料的光催化消解方法的技术方案，该方案特别针对放射性材料熔炼铸造过程使用过的碳坩埚、模具目前没有合适的后处理技术的问题，提供一条解决途径。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种碳材料的光催化消解方法，包括有以下步骤:
a.制备TiO2改性的碳材料：
使用行星式球磨机以固定的球磨公转速度研磨碳材料、TiO2粉末的混合物，得到粉末状的TiO2改性的碳材料；
b.光催化消解TiO2改性的碳材料：
将步骤a中制备完成的TiO2改性的碳材料与水混合，向液体中以固定流量持续通入含氧气体，用光源照射液体，直至将TiO2改性的碳材料转变为气体。
作为本方案的优选：步骤a中，碳材料、TiO2粉末的组分按重量份计为：碳材料1份、TiO2粉末0.5-5份。
作为本方案的优选：步骤a中，制备TiO2改性的碳材料时能够加入辅助剂与碳材料、TiO2粉末的混合物共同研磨；碳材料、TiO2粉末、辅助剂的组分按重量份计为：碳材料1份、TiO2粉末0.5-5份、辅助剂0.1-5份。
作为本方案的优选：步骤b中，TiO2改性的碳材料与水的组分按重量份计为：TiO2改性的碳材料1份、水50-1000份。
作为本方案的优选：步骤a中，行星式球磨机的公转速度为300-800转/分钟，球磨机的研磨时间为4-48小时。
作为本方案的优选：辅助剂为三聚氰胺、双氰胺、萘中的一种或自由组合。
作为本方案的优选：含氧气体为氧气或空气或惰性气体与氧气的混合气体。
作为本方案的优选：碳材料为活性炭或石墨或碳纤维或碳纳米管或炭黑；所述光源的波长为200-2500nm。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于该方案运用球磨对碳材料进行粒径降级、减层及TiO2改性处理，利用TiO2在光照下催化氧气生成强氧化基团的性能将处理后的碳材料氧化为气体，能够起到反应条件温和、能耗低、操作安全度高且利于其上附着物（如催化剂、核素等）的回收的效果。
经实际测定，本发明获得的碳材料消解速率最大可达0.103克/小时，核素回收率可达95%。本发明用于碳材料后处理，特别是放射性污染碳材料的后处理，有效地拟制了放射性气溶胶的生成，极大地提升了处理过程的安全度，并且实现了碳材料上附着核素的有效回收。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
将带有核素的天然鳞片石墨、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为53%，平均消解速率为0.088克/小时，核素的回收率为95%。
实施例2
将活性炭、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定活性炭的消解率为62%，平均消解速率为0.103克/小时。
实施例3
将碳纤维、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定碳纤维的消解率为45%，平均消解速率为0.075克/小时。
实施例4
将碳纳米管、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定碳纳米管的消解率为26%，平均消解速率为0.043克/小时。
实施例5
将天然鳞片石墨、TiO2粉末按重量比1：2混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为21%，平均消解速率为0.035克/小时。
实施例6
将天然鳞片石墨、TiO2粉末、萘按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定碳纳米管的消解率为25%，平均消解速率为0.042克/小时。
实施例7
将天然鳞片石墨、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用氙灯（功率：300W，可见光区390-770nm输出：5000Lu）持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为11%，平均消解速率为0.018克/小时。
实施例8
将天然鳞片石墨、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：0.5：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为22%，平均消解速率为0.037克/小时。
实施例9
将天然鳞片石墨、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以300转/分钟的公转速度研磨24小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为19%，平均消解速率为0.032克/小时。
实施例10
将天然鳞片石墨、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：100混合，以10毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为21%，平均消解速率为0.035克/小时。
实施例11
将天然鳞片石墨、TiO2粉末、三聚氰胺按重量比1：2：3混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨机以600转/分钟的公转速度研磨12小时，取1克得到的粉末与水按重量比1：1000混合，以60毫升/分钟的流量向液体中通入空气，用汞灯持续照射液体。6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为37%，平均消解速率为0.062克/小时。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：包括有以下步骤:
a.制备TiO2改性的碳材料：
使用行星式球磨机以固定的球磨公转速度研磨碳材料、TiO2粉末的混合物，得到粉末状的TiO2改性的碳材料；
b.光催化消解TiO2改性的碳材料：
将步骤a中制备完成的TiO2改性的碳材料与水混合，向液体中以固定流量持续通入含氧气体，用光源照射液体，将TiO2改性的碳材料转变为气体。
2.根据权利要求1所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述步骤a中，碳材料、TiO2粉末的组分按重量份计为：碳材料1份、TiO2粉末0.5-5份。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述步骤a中，制备TiO2改性的碳材料时能够加入辅助剂与碳材料、TiO2粉末的混合物共同研磨；碳材料、TiO2粉末、辅助剂的组分按重量份计为：碳材料1份、TiO2粉末0.5-5份、辅助剂0.1-5份。
4.根据权利要求1所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述步骤b中，TiO2改性的碳材料与水的组分按重量份计为：TiO2改性的碳材料1份、水50-1000份。
5.根据权利要求1所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述步骤a中，行星式球磨机的球磨公转速度为300-800转/分钟，球磨机的研磨时间为4-48小时。
6.根据权利要求3所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述辅助剂为三聚氰胺、双氰胺、萘中的一种或自由组合。
7.根据权利要求1所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述含氧气体为氧气或空气或惰性气体与氧气的混合气体。
8.根据权利要求1所述的一种碳材料的光催化消解方法，其特征是：所述碳材料为活性炭或石墨或碳纤维或碳纳米管或炭黑；所述光源的波长为200-2500nm。
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