CN106582581A

CN106582581A - 一种吸附光催化复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN106582581A
Application number: CN201510677817.7A
Authority: CN
Inventors: 邵振华; 姜建清; 张智; 顾佳涛
Original assignee: Hangzhou Ke Ruite Environmental Technology As
Current assignee: Hangzhou Ke Ruite Environmental Technology As
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明公开了一种吸附光催化复合材料的制备方法，具体步骤包括：（1）先用稀酸溶液对蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面进行酸化处理，然后水洗烘干；（2）在纳米TiO₂分散液中滴加H₃PO₃溶液，对纳米TiO₂微粒进行表面酸化，再进行超声振荡处理；（3）使用毛刷和喷枪将经过步骤（2）处理的纳米TiO₂分散液涂覆到经过步骤（1）处理的蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面；（4）将经过步骤（3）处理后的负载纳米TiO₂的蜂窝状活性炭复合材料一起放入马弗炉中进行程序升温焙烧，自然冷却后即得到所述的吸附光催化复合材料。

Description

一种吸附光催化复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于废气治理领域，具体涉及一种吸附光催化复合材料的制备方法。

背景技术

在紫外线的作用下，TiO₂的钛原子价带电子会被激发，形成电子-空穴对，空气中的水蒸气、氧气与其接触会被分解为极具氧化力的•OH和O₂-•，能降解多种有机污染物和部分无机化合物，起到净化空气的作用。此外，TiO₂催化剂具有在光照后不发生光腐蚀、耐酸碱性好、化学性质稳定等特点，在低浓度有机废水和有机废气的处理方面，有广泛的应用前景。故常在环境保护行业被用作光催化剂。一般将TiO₂负载在金属氧化物、陶瓷、金属纤维、粉末活性炭、颗粒活性炭等载体上作为光催化剂。但是使用金属负载存在价格昂贵的缺点，而且一些金属离子会在热处理中进入TiO₂中，破坏晶格而降低活化性能；使用颗粒活性炭、粉末活性炭负载时，在溶液中使用仍然以悬浮物体系运行，存在反应后吸附剂难以滤除，更换不方便等问题。

蜂窝状活性炭的研制最早见于日本的报道。蜂窝状活性炭不但包含活性炭原有的优点，如比表面积大、独特的空隙结构、表面化学官能团稳定、抗酸碱腐蚀性、疏水性，以及失效后可再生性等等，而且由于其独特的蜂窝结构，还具有开孔率高、气体分布均匀、几何表面积更大、扩散路程短、耐磨损、抗粉尘污染能力强等优点。与其它类型的活性炭相比，蜂窝状活性炭的最大优点在于压力损失小，在同样条件下，其阻力仅为同比颗粒活性炭的1/10左右。基于上述优点，蜂窝状活性炭可以用于气体净化、气体储存等方面。此外，蜂窝状活性炭还可用做催化剂或催化剂载体。蜂窝状活性炭基催化剂的制备及其应用正成为一个研究热点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种吸附光催化复合材料的制备方法。

该制备方法具体包括以下步骤。

（1）取蜂窝状活性炭一个，先用压缩空气吹去蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面的粉末，然后使用质量浓度为5%~15%的稀酸溶液对蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面进行酸化处理；常温下酸化0.5~2h后，用去离子水对蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面进行水洗，直至水洗废液的pH值恒定在6.0~7.0之间，然后将蜂窝状活性炭放入烘箱中，

在70~140℃的温度下烘干1~2h。

（2）取TiO₂质量分数为10%~15%的纳米TiO₂分散液，向其中滴加亚磷酸(H₃PO₃)溶液，控制加入的H₃PO₃的质量分数为0.1%~0.5%。然后采用超声波对滴加H₃PO₃溶液后的纳米TiO₂分散液振荡处理30~45min，使其分散均匀。

（3）使用毛刷将经过步骤（2）处理后的纳米TiO₂分散液均匀涂覆在经过步骤（1）处理后的蜂窝状活性炭网格面；再将经过步骤（2）处理后的纳米TiO₂分散液装入喷枪罐中，维持喷枪与蜂窝状活性炭网格面的夹角在20°~60°，距离保持在20~50cm，使用喷枪对蜂窝状活性炭的蜂窝通道内表面进行喷涂；重复以上操作2次以上，然后晾干0.5~4h。

（4）将经过步骤（3）处理后的负载纳米TiO₂的蜂窝状活性炭复合材料一起放入马弗炉中焙烧，并同时充入高纯氮气作保护。对焙烧温度进行分阶段调控：第一阶段温度设定为100~200℃，升温时间10~30min，温度恒定时间20~60min；第二阶段温度设定为300~400℃，升温时间10~30min，温度恒定时间20~60min，第三阶段温度设定为500℃，升温时间10~30min，温度恒定时间0.5~4h；第四阶段稳定设定为100~200℃，降温时间10~30min，恒温时间10min。自然冷却后即得到负载有纳米TiO₂的蜂窝状活性炭载体，即所述的吸附光催化复合材料。

作为一种优选，所述步骤（1）中酸化处理的蜂窝状活性炭最好为防水型蜂窝状活性炭。

作为一种优选，所述步骤（1）中酸化处理的稀酸溶液最好为稀硫酸或稀盐酸。

作为一种优选，所述步骤（2）中制备H₃PO₃溶液时使用的H₃PO₃试剂最好为分析纯（AR）。

作为一种优选，所述步骤（2）中的纳米TiO₂分散液最好为锐钛晶型的纳米TiO₂分散液，粒径在5~15nm。

采用上述技术方案的有益效果是。

1）通过酸化预处理蜂窝状活性炭载体表面，增加了表面羧基，提高活性炭的表面亲水性，从而提高纳米TiO₂分散液在活性炭表面的分散度，增加了纳米TiO₂微粒的负载率，降低了纳米TiO₂微粒的脱落。

2）在纳米TiO₂分散液中滴加H₃PO₃溶液，可对纳米TiO₂微粒进行表面酸化，增加TiO₂光催化剂表面的Lewis和Bronsted酸度，提高其光催化性能。

3）通过对焙烧温度分段调控的方式从而控制纳米TiO₂晶型的稳定，保证纳米TiO₂的光催化活性。

4）选用蜂窝状活性炭而不是颗粒状或粉末状活性炭为载体，更有利于纳米TiO2的的负载，从而更适合于工业上的大规模生产。

附图说明

图1为纯蜂窝状活性炭的表面截取物的扫描电镜图（1.0μm尺度）。

图2为实施例1中制备得到的含纳米TiO₂颗粒的蜂窝状活性炭样品的表面截取物的扫描电镜图（1.0μm尺度）。

图3为对比例2中所制备没有滴加H₃PO₃溶液的含有纳米TiO₂颗粒的蜂窝状活性炭样品的表面截取物的扫描电镜图（1.0μm尺度）。

图4为吸附光催化废气处理装置结构图。

图中：吸附光催化材料1、紫外灯管2、废气进口3、废气出口4。

具体实施方式

实施例 1 。

吸附光催化复合材料的制备。

采用市售的优质防水性蜂窝状活性炭一个，L×W×H=50mm×100mm×100mm，先用压缩空气吹去蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面的粉末，然后使用质量浓度为10%的稀硫酸溶液对蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面进行酸化处理；常温下酸化0.5h后，用去离子水对蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面进行水洗，直至水洗废液的pH值恒定在7.0左右，然后将蜂窝状活性炭放入烘箱中，在100℃的温度下烘干1h；取TiO₂质量分数为10%的锐钛晶型纳米TiO₂分散液，TiO₂微粒粒径在10nm，向其中滴加亚磷酸(H₃PO₃)溶液，控制加入的H₃PO₃的质量分数为0.5%。然后采用超声波对滴加亚磷酸溶液后的纳米TiO₂分散液振荡处理30min，使其分散均匀；使用毛刷将经过处理后的纳米TiO₂分散液均匀涂覆在经过处理后的蜂窝状活性炭网格面；再将经过处理后的纳米TiO₂分散液装入喷枪罐中，维持喷枪与蜂窝状活性炭网格面的夹角在45°左右，距离保持在30cm左右时，使用喷枪对蜂窝状活性炭的蜂窝通道内表面进行喷涂；重复以上操作2次以上，然后晾干1h；将经过处理后的负载纳米TiO₂的蜂窝状活性炭复合材料一起放入马弗炉中焙烧，并同时充入高纯氮气作保护。对焙烧温度进行分阶段调控：第一阶段温度设定为200℃，升温时间10min，温度恒定时间20min；第二阶段温度设定为300℃，升温时间10min，温度恒定时间20min，第三阶段温度设定为500℃，升温时间10min，温度恒定时间3h；第四阶段稳定设定为200℃，降温时间10min，恒温时间10min。自然冷却后即得到负载有纳米TiO₂的蜂窝状活性炭载体，即所述的吸附光催化复合材料。蜂窝状活性炭载体表面的扫描电镜图如图1所示，制备得到的含纳米TiO₂颗粒的蜂窝状活性炭样品的表面截取物的扫描电镜图如图2所示，可以看见在蜂窝状活性炭表面镶嵌密集的圆球状的纳米TiO₂微粒，且分布较为均匀。

对比例 2 。

吸附光催化复合材料的制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：

没有在纳米TiO₂分散液中滴加亚磷酸(H₃PO₃)溶液，其他步骤均不变。在制备完成后截取的部分表面物质扫描电镜图如3所示。比较图2和图3可知，无论催化剂是否酸化处理，TiO₂都能被成功地负载到催化剂载体蜂窝活性炭的表面；但相较于未处理的TiO₂催化剂，表面酸化的TiO₂催化剂获得了更大的表面粗糙度，分布更加均匀。

应用例 3 。

使用纯蜂窝状活性炭（AC）、根据实施例1制备所得的吸附光催化复合材料（H₃PO₃+TiO₂/AC）和根据对比例2制备所得的吸附光催化复合材料（TiO₂/AC）在吸附光催化废气处理装置（如图4所示）上进行包装印刷行业废气处理实验，风量为10000m³/h，其中紫外灯管的波长为254nm。废气在经过蜂窝状活性炭1被吸附的同时，紫外灯管2发出紫外线使蜂窝状活性炭网格面和通道内表面的纳米TiO₂进行光催化反应，进一步分解污染物。表1为在AC、TiO₂/AC和H₃PO₃+TiO₂/AC上对有机废气进行吸附及光催化反应，进出口废气污染物浓度变化情况；由表1可以发现纯蜂窝状活性炭（AC）可明显吸附废气中污染物，而根据实施例1制备所得的吸附光催化复合材料（H₃PO₃+TiO₂/AC）对VOCs的处理效果优于纯蜂窝状活性炭（AC），总VOCs去除率提升约15%，同时也优于根据对比例2制备所得的吸附光催化复合材料（TiO₂/AC），总VOCs去除率提升约8%，，这说明通过本发明所述方法制备的吸附光催化复合材料具有较好的废气处理效果。

Claims

1.一种吸附光催化复合材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：

（1）先用压缩空气吹去蜂窝状活性炭表面的粉末，然后使用质量浓度为5%~15%的稀酸溶液对蜂窝状活性炭网格面和蜂窝通道内表面进行酸化处理；常温下酸化0.5~2h后，用去离子水进行水洗，直至水洗废液的pH值恒定在6.0~7.0之间，放入烘箱中在70~140℃的温度下烘干1~2h；

（2）取TiO₂质量分数为10%~15%的纳米TiO₂分散液，向其中滴加亚磷酸(H₃PO₃)溶液，控制加入的H₃PO₃的质量分数为0.1%~0.5%；

然后采用超声波对滴加H₃PO₃溶液后的纳米TiO₂分散液振荡处理30~45min，使其分散均匀；

（3）使用毛刷将经过步骤（2）处理后的纳米TiO₂分散液均匀涂覆在经过步骤（1）处理后的蜂窝状活性炭网格面；再将经过步骤（2）处理后的纳米TiO₂分散液装入喷枪罐中，维持喷枪与蜂窝状活性炭网格面的夹角在20°~60°，距离保持在20~50cm，使用喷枪对蜂窝状活性炭的蜂窝通道内表面进行喷涂；重复以上操作2次以上，然后晾干0.5~4h；

（4）将经过步骤（3）处理后的负载纳米TiO₂的蜂窝状活性炭复合材料一起放入马弗炉中焙烧，并同时充入高纯氮气作保护；对焙烧温度进行分阶段调控：第一阶段温度设定为100~200℃，升温时间10~30min，温度恒定时间20~60min；第二阶段温度设定为300~400℃，升温时间10~30min，温度恒定时间20~60min，第三阶段温度设定为500℃，升温时间10~30min，温度恒定时间0.5~4h；第四阶段稳定设定为100~200℃，降温时间10~30min，恒温时间10min；自然冷却后即得到负载有纳米TiO₂的蜂窝状活性炭载体，即所述的吸附光催化复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种吸附光催化复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的蜂窝状活性炭为防水型蜂窝状活性炭。

3.根据权利要求1所述的一种吸附光催化复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的稀酸溶液为稀硫酸或稀盐酸。

4.根据权利要求1所述的一种吸附光催化复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的纳米TiO₂的分散液为锐钛晶型的纳米TiO₂分散液，粒径在5~15nm。

5.根据权利要求1所述的一种吸附光催化复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的亚磷酸(H₃PO₃)溶液，制备时使用的H₃PO₃试剂最好为分析纯（AR）。