CN106311239A - 一种高效凹凸棒石黏土基催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，包括钛硅基金属氧化物、作为载体的凹凸棒石黏土和载体与金属氧化物之间的超导膜层，所述超导膜层厚度为100‑500nm。本发明利用凹凸棒石黏土多孔、比表面积大、对有机物有良好的吸附性能的特点，增加催化剂与有机物的接触，提高催化效果。

Description

一种高效凹凸棒石黏土基催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于环境化学技术领域，具体涉及一种高效凹凸棒石黏土基催化剂及其制备方法。
背景技术
20世纪80年代，高级氧化技术(AdvancedOxidationProcesses，简称AOPs)被开发并广泛用于处理难降解有机污染物。基于硫酸根自由基的高级氧化技术，是通过活化过硫酸盐生成具有强氧化性能的硫酸根自由基，利用其强氧化性来氧化降解有机污染物的新型处理方法。过硫酸与过氧化氢一样含有过氧键，可以看作是过氧化氢的衍生物，但其氧化性均比过氧化氢强，而且主要以固体过硫酸盐的形式存在，比过氧化氢更方便储存和运输。但由于过硫酸盐比较稳定，参与氧化还原过程往往很慢，如果有外加能量或者催化剂存在，反应会变得特别迅速，是因为在体系中产生了新的活性物种—硫酸根自由基，其氧化能力强于过硫酸盐本身，在氧化过程中起到了关键作用。过渡金属活化过硫酸盐，降低了反应的活化能，使硫酸根自由基的相关反应反应可以在常温常压下进行，反应条件温和，可以有效促进反应的进行。其中，钴化合物因其较好的催化效和相对低成本成为硫酸根自由基氧化催化研究的重点之一。
然而，基于硫酸根自由基的高级氧化技术的应用还受到很多因素，例如催化剂性能、反应体系等的影响。因此，开发具有改善性能的催化剂，对于硫酸根自由基的高级氧化技术的进一步发展以及在处理环境污染物方面的产业化应用具有积极深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，本发明利用凹凸棒石黏土多孔、比表面积大、对有机物有良好的吸附性能的特点，增加催化剂与有机物的接触，提高催化效果。
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其包括钛硅基金属氧化物、作为载体的凹凸棒石黏土和载体与金属氧化物之间的超导膜层，所述超导膜层厚度为100-500nm。
所述凹凸棒石黏土的比表面不小于500 m2/g。
所述钛硅基金属氧化物以氧化钛为主料，无机硅材料为辅料，过滤金属为辅料，形成的钛硅基混合金属氧化物，所述钛硅基金属氧化物的配比为氧化钛：无机硅材料：过渡金属=10:2-5:0.5-1.2。
所述无机硅材料采用纳米二氧化硅、碳化硅、氮化硅中的一种。
所述过渡金属可以为Co、Ru、Fe、Ce、V、Mn、Ni中的一种或多种，还包括Co、Ru、Fe、Ce、V、Mn、Ni的纳米级氧化物中的一种或几种。
所述超导膜层采用碳纤维改性的石墨烯膜，所述碳纤维含量为10-15%。
所述凹凸棒石黏土的前处理步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土加入到蒸馏水中进行蒸煮，然后自然冷却晾干，蒸煮温度为100-120℃，蒸煮时间为20-40min；
步骤2，将步骤1中的凹凸棒石黏土放入到丙酮溶液中，浸泡洗涤10-30min后取出晾干；
步骤3，将凹凸棒石黏土放入到乙酸水溶液中进行搅拌，搅拌时间为30-45min，搅拌温度为40-60℃；
步骤4，自然晾干凹凸棒石黏土，低温加热后自然冷却，加热时间为20-30min，所述温度为60-70℃。
所述钛硅基混合金属氧化物的镀膜液制备方法如下：
步骤1，将氧化钛、无机硅材料和过渡金属按照配方进行称量；
步骤2，将材料放置到乙醇水溶液中进行搅拌，并辅以聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，乙醇水溶液中的乙醇含量为70-88%，聚乙烯吡咯烷酮的含量为氧化钛质量的1-3%，聚乙烯醇的含量是氧化钛的0.3-0.9%，
步骤3，将步骤2的溶液放到旋转蒸发仪上进行减压蒸馏直至浓缩至一半，得到钛硅基混合金属氧化物的镀膜液
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土放置在酸化溶液中，加入超导膜溶液进行超声搅拌，得到带有超导膜层的凹凸棒石黏土，干燥、研磨、焙烧，制得凹凸棒石黏土催化材料；
步骤2，将钛硅基混合金属氧化物的镀膜液进行凹凸棒石黏土催化材料表面喷涂，形成凹凸棒石黏土基催化剂；
步骤3，将凹凸棒石黏土基催化剂放置在烘箱内烘干烧结，然后放置马弗炉中进行间断性烧结，烧结次数为2-3次，烧结温度为300-500℃，烧结时间为30-60min，间隔时间为10-15min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用凹凸棒石黏土多孔、比表面积大、对有机物有良好的吸附性能的特点，增加催化剂与有机物的接触，提高催化效果。
2、本发明凹凸棒石黏土机械强度高，是金属氧化物催化剂的优良载体，原料易购买，应用成 本低，同时拓宽了凹凸棒石黏土的应用范围。
3、本发明经过高温煅烧处理，负载材料与载体结合更为紧密，提高了催化剂的稳定性也加强了催化剂的活性，钛氧基与过度金属的镶嵌膜层连接紧密，降低脱落率的同时，也具有明显的高效性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述：
实施例1
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其包括钛硅基金属氧化物、作为载体的凹凸棒石黏土和载体与金属氧化物之间的超导膜层，所述超导膜层厚度为100-500nm。
所述凹凸棒石黏土的比表面500 m2/g。
所述钛硅基金属氧化物以氧化钛为主料，无机硅材料为辅料，过滤金属为辅料，形成的钛硅基混合金属氧化物，所述钛硅基金属氧化物的配比为氧化钛：无机硅材料：过渡金属=10:2:0.5。
所述无机硅材料采用纳米二氧化硅。
所述过渡金属采用Co。
所述超导膜层采用碳纤维改性的石墨烯膜，所述碳纤维含量为10%。
所述凹凸棒石黏土的前处理步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土加入到蒸馏水中进行蒸煮，然后自然冷却晾干，蒸煮温度为100℃，蒸煮时间为20min；
步骤2，将步骤1中的凹凸棒石黏土放入到丙酮溶液中，浸泡洗涤10min后取出晾干；
步骤3，将凹凸棒石黏土放入到乙酸水溶液中进行搅拌，搅拌时间为30min，搅拌温度为40℃；
步骤4，自然晾干凹凸棒石黏土，低温加热后自然冷却，加热时间为20min，所述温度为60℃。
所述钛硅基混合金属氧化物的镀膜液制备方法如下：
步骤1，将氧化钛、无机硅材料和过渡金属按照配方进行称量；
步骤2，将材料放置到乙醇水溶液中进行搅拌，并辅以聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，乙醇水溶液中的乙醇含量为70%，聚乙烯吡咯烷酮的含量为氧化钛质量的1%，聚乙烯醇的含量是氧化钛的0.3%，
步骤3，将步骤2的溶液放到旋转蒸发仪上进行减压蒸馏直至浓缩至一半，得到钛硅基混合金属氧化物的镀膜液
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土放置在酸化溶液中，加入超导膜溶液进行超声搅拌，得到带有超导膜层的凹凸棒石黏土，干燥、研磨、焙烧，制得凹凸棒石黏土催化材料；
步骤2，将钛硅基混合金属氧化物的镀膜液进行凹凸棒石黏土催化材料表面喷涂，形成凹凸棒石黏土基催化剂；
步骤3，将凹凸棒石黏土基催化剂放置在烘箱内烘干烧结，然后放置马弗炉中进行间断性烧结，烧结次数为2次，烧结温度为300-500℃，烧结时间为30min，间隔时间为10min。
实施例2
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其包括钛硅基金属氧化物、作为载体的凹凸棒石黏土和载体与金属氧化物之间的超导膜层，所述超导膜层厚度为500nm。
所述凹凸棒石黏土的比表面800 m2/g。
所述钛硅基金属氧化物以氧化钛为主料，无机硅材料为辅料，过滤金属为辅料，形成的钛硅基混合金属氧化物，所述钛硅基金属氧化物的配比为氧化钛：无机硅材料：过渡金属=10: 5: 1.2。
所述无机硅材料采用碳化硅。
所述过渡金属为氧化铁。
所述超导膜层采用碳纤维改性的石墨烯膜，所述碳纤维含量为15%。
所述凹凸棒石黏土的前处理步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土加入到蒸馏水中进行蒸煮，然后自然冷却晾干，蒸煮温度为120℃，蒸煮时间为40min；
步骤2，将步骤1中的凹凸棒石黏土放入到丙酮溶液中，浸泡洗涤30min后取出晾干；
步骤3，将凹凸棒石黏土放入到乙酸水溶液中进行搅拌，搅拌时间为45min，搅拌温度为60℃；
步骤4，自然晾干凹凸棒石黏土，低温加热后自然冷却，加热时间为30min，所述温度为70℃。
所述钛硅基混合金属氧化物的镀膜液制备方法如下：
步骤1，将氧化钛、无机硅材料和过渡金属按照配方进行称量；
步骤2，将材料放置到乙醇水溶液中进行搅拌，并辅以聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，乙醇水溶液中的乙醇含量为88%，聚乙烯吡咯烷酮的含量为氧化钛质量的3%，聚乙烯醇的含量是氧化钛的0.9%，
步骤3，将步骤2的溶液放到旋转蒸发仪上进行减压蒸馏直至浓缩至一半，得到钛硅基混合金属氧化物的镀膜液。
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土放置在酸化溶液中，加入超导膜溶液进行超声搅拌，得到带有超导膜层的凹凸棒石黏土，干燥、研磨、焙烧，制得凹凸棒石黏土催化材料；
步骤2，将钛硅基混合金属氧化物的镀膜液进行凹凸棒石黏土催化材料表面喷涂，形成凹凸棒石黏土基催化剂；
步骤3，将凹凸棒石黏土基催化剂放置在烘箱内烘干烧结，然后放置马弗炉中进行间断性烧结，烧结次数为3次，烧结温度为500℃，烧结时间为60min，间隔时间为15min。
实施例3
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其包括钛硅基金属氧化物、作为载体的凹凸棒石黏土和载体与金属氧化物之间的超导膜层，所述超导膜层厚度为300nm。
所述凹凸棒石黏土的比表面1000 m2/g。
所述钛硅基金属氧化物以氧化钛为主料，无机硅材料为辅料，过滤金属为辅料，形成的钛硅基混合金属氧化物，所述钛硅基金属氧化物的配比为氧化钛：无机硅材料：过渡金属=10:4:0.9。
所述无机硅材料采用氮化硅。
所述过渡金属为V。
所述超导膜层采用碳纤维改性的石墨烯膜，所述碳纤维含量为13%。
所述凹凸棒石黏土的前处理步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土加入到蒸馏水中进行蒸煮，然后自然冷却晾干，蒸煮温度为110℃，蒸煮时间为30min；
步骤2，将步骤1中的凹凸棒石黏土放入到丙酮溶液中，浸泡洗涤20min后取出晾干；
步骤3，将凹凸棒石黏土放入到乙酸水溶液中进行搅拌，搅拌时间为39min，搅拌温度为50℃；
步骤4，自然晾干凹凸棒石黏土，低温加热后自然冷却，加热时间为25min，所述温度为65℃。
所述钛硅基混合金属氧化物的镀膜液制备方法如下：
步骤1，将氧化钛、无机硅材料和过渡金属按照配方进行称量；
步骤2，将材料放置到乙醇水溶液中进行搅拌，并辅以聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，乙醇水溶液中的乙醇含量为79%，聚乙烯吡咯烷酮的含量为氧化钛质量的2%，聚乙烯醇的含量是氧化钛的0.6%；
步骤3，将步骤2的溶液放到旋转蒸发仪上进行减压蒸馏直至浓缩至一半，得到钛硅基混合金属氧化物的镀膜液；
一种高效凹凸棒石黏土基催化剂的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土放置在酸化溶液中，加入超导膜溶液进行超声搅拌，得到带有超导膜层的凹凸棒石黏土，干燥、研磨、焙烧，制得凹凸棒石黏土催化材料；
步骤2，将钛硅基混合金属氧化物的镀膜液进行凹凸棒石黏土催化材料表面喷涂，形成凹凸棒石黏土基催化剂；
步骤3，将凹凸棒石黏土基催化剂放置在烘箱内烘干烧结，然后放置马弗炉中进行间断性烧结，烧结次数为2-3次，烧结温度为400℃，烧结时间为45min，间隔时间为12min。
实施例1-3的实施例在100ppm亚甲基蓝溶液的降解催化效果如下：
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
20min 20.3% 21.1% 20.7% 19.2%
70min 44.3% 45.2% 44.9% 43.0%
150min 86% 87% 85.6% 79%
以上所述仅为本发明的一实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于：其包括钛硅基金属氧化物、作为载体的凹凸棒石黏土和载体与金属氧化物之间的超导膜层，所述超导膜层厚度为100-500nm。
2.根据权利要求书1所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述凹凸棒石黏土的比表面不小于500 m2/g。
3.根据权利要求书1所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述钛硅基金属氧化物以氧化钛为主料，无机硅材料为辅料，过滤金属为辅料，形成的钛硅基混合金属氧化物，所述钛硅基金属氧化物的配比为氧化钛：无机硅材料：过渡金属=10:2-5:0.5-1.2。
4.根据权利要求书3所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述无机硅材料采用纳米二氧化硅、碳化硅、氮化硅中的一种。
5.根据权利要求书3所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述过渡金属可以为Co、Ru、Fe、Ce、V、Mn、Ni中的一种或多种，还包括Co、Ru、Fe、Ce、V、Mn、Ni的纳米级氧化物中的一种或几种。
6.根据权利要求书1所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述超导膜层采用碳纤维改性的石墨烯膜，所述碳纤维含量为10-15%。
7.根据权利要求书1所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述凹凸棒石黏土的前处理步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土加入到蒸馏水中进行蒸煮，然后自然冷却晾干，蒸煮温度为100-120℃，蒸煮时间为20-40min；
步骤2，将步骤1中的凹凸棒石黏土放入到丙酮溶液中，浸泡洗涤10-30min后取出晾干；
步骤3，将凹凸棒石黏土放入到乙酸水溶液中进行搅拌，搅拌时间为30-45min，搅拌温度为40-60℃；
步骤4，自然晾干凹凸棒石黏土，低温加热后自然冷却，加热时间为20-30min，所述温度为60-70℃。
8.根据权利要求书1所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，所述钛硅基混合金属氧化物的镀膜液制备方法如下：
步骤1，将氧化钛、无机硅材料和过渡金属按照配方进行称量；
步骤2，将材料放置到乙醇水溶液中进行搅拌，并辅以聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，乙醇水溶液中的乙醇含量为70-88%，聚乙烯吡咯烷酮的含量为氧化钛质量的1-3%，聚乙烯醇的含量是氧化钛的0.3-0.9%；
步骤3，将步骤2的溶液放到旋转蒸发仪上进行减压蒸馏直至浓缩至一半，得到钛硅基混合金属氧化物的镀膜液。
9.根据权利要求书1所述的一种高效凹凸棒石黏土基催化剂，其特征在于，其制备方法的步骤如下：
步骤1，将凹凸棒石黏土放置在酸化溶液中，加入超导膜溶液进行超声搅拌，得到带有超导膜层的凹凸棒石黏土，干燥、研磨、焙烧，制得凹凸棒石黏土催化材料；
步骤2，将钛硅基混合金属氧化物的镀膜液进行凹凸棒石黏土催化材料表面喷涂，形成凹凸棒石黏土基催化剂；
步骤3，将凹凸棒石黏土基催化剂放置在烘箱内烘干烧结，然后放置马弗炉中进行间断性烧结，烧结次数为2-3次，烧结温度为300-500℃，烧结时间为30-60min，间隔时间为10-15min。
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