CN106865684A - 一种可见光响应的光催化生态护岸砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可见光响应的光催化生态护岸砖及其制备方法。所述生态护岸砖为正六边形结构，在正六边形中央镂空成圆柱体，所述镂空结构可供水生植物生长，从而减缓水的冲刷和侵蚀，同时净化水质，维持水生生态环境；该生态护岸砖分为光催化材料层和混凝土层两层，上层光催化材料层由负载光催化材料氮化碳的多水高岭土和水泥均匀混合而成，可以利用其在可见光下的光催化性能，有效降解有机污染物，同时光催化材料的固定有利于光催化材料的回收和重复利用；下层由混凝土材料烧制而成。本生态护岸砖功能一体化、制造成本低，在利用光催化降解有机污染物的同时，兼顾生态效应，可同时达到净化水质和固岸护坡的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种可见光响应的光催化生态护岸砖及其制备方法，属于水环境治理技术领域。
背景技术
河流在自然状态下的演变主要受到河流流量、河道形态、河岸基岩成分等因素的影响。特别是河流侧向侵蚀极有可能会造成水土流失，尤其是水流湍急的河道，由于河流侧向侵蚀影响巨大，导致大量的水土流失，对于沿岸地区的经济发展和人民的生命财产安全带来了巨大的安全隐患。因此，人们有必要合理地开展河道整治和固岸护坡工作。目前，我国最主要的护岸方式是抛石护岸和混凝土坡式护岸等，在大型天然河道主要采用抛石护岸的方式，该护岸方式耐久性好、抗冲刷能力强、施工简单、维修要求低、材料来源广、生态性好，但是自然材料消耗大、不具有可持续性。而混凝土坡式护岸具有较好的工程结构安全性及耐久性，但是护岸的“硬化”容易带来生态环境问题。因此，急需发明一种新型护岸材料来解决传统护岸材料存在的问题，既满足固岸护坡需要，又不会对生态环境造成较大的影响。
同时，我国的地表水污染严重，造成水资源短缺问题更加严重。我国河流的污染以有机污染为主，主要污染物是氨氮、生化需氧量、高锰酸盐指数和挥发酚等。因此，有效治理我国的河流的污染缓解我国水资源短缺的对策之一，而有效治理河流有机污染是治理河流污染的重中之重。近年来，光催化技术发展迅速，特别是在水处理过程中应用光催化技术具有极好的应用前景，光催化剂也被应用到护岸材料当中，但是，传统的光催化护岸材料又存在以下问题：
一、光催化护岸材料可见光下催化效率低：传统的光催化护岸材料往往应用改性后的二氧化钛等催化材料作为催化剂，但是目前而言应用最多的光催化材料往往在可见光下催化效率低下，在实际水体中起到的作用微乎其微。
二、用重金属改性的光催化材料易造成二次污染：由于大部分催化材料在天然条件下的催化效率较低，很多研究者和技术人员使用银等重金属材料对传统催化材料进行改性，将改性后的光催化材料应用于护岸材料，但是，由于护岸材料会在水中长时间浸泡，重金属极有可能会脱落从而进入水体，而重金属的进入极有可能会造成水体的重金属污染。
三、光催化护岸材料的功能单一：传统的光催化护岸材料在应用中的效果仅限于某一种污染物或者是某一种细菌、病毒，不能够在水体中体现出较好的适应性，导致在某些特定水体中无法体现出较好的处理效果。
四、光催化护岸材料影响生态环境：大面积铺设传统的光催化护岸材料需要铲除沿岸植物，使沿岸生态环境遭受严重影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够同时满足固岸护坡和污水处理需求的可见光响应的光催化生态护岸砖及其制备方法，致力于解决河流两岸水土流失问题以及河流水体有机污染严重的问题。
为实现上述目的，本发明公开一种可见光响应的光催化生态护岸砖，所述可见光响应的光催化生态护岸砖为正六边形棱柱，正中为圆柱形镂空；所述可见光响应的光催化生态护岸砖包括光催化材料层和混凝土层，上层为光催化材料层，下层为混凝土层，上层和下层粘结一体。
该可见光响应的光催化生态护岸砖的制备方法包含以下步骤：
.1)光催化材料层的制备
将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和负载有氮化碳的多水高岭土粉末以2～3:4～8:3～5:0.5～0.8:1的质量比搅拌混合均匀，得光催化材料层原料；
2)混凝土层的制作
将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和减水剂按照7～8:18～22:3～12:1～2:1质量比混合均匀后放入制备装置内压实干燥，得到混凝土层；
3)光催化生态护岸砖的制作
在混凝土层的上表面加入水泥、水和粘合剂，水泥、水和粘合剂的质量比为8～12:3～5:1，再加上光催化材料层原料，光催化材料层原料的投加量需完全覆盖纯混凝土层的上表面，投加完毕后用压板压实，静置冷却3～5天，制得光催化生态护岸砖。
优选地，所述天然粗骨料为碎石，卵石。
优选地，所述天然粗骨料粒径为5～10mm。
其中，所述负载氮化碳多水高岭土粉末的制备方法包括以下步骤：
a)先在半封闭系统中直接加热三聚氰胺成三聚氰胺粉末，将三聚氰胺粉末放入铝制坩埚中，加盖后置于马弗炉中加热至400～500℃，加热速率为15～25℃/min，然后在500～580℃下加热两个小时，进行脱氨反应，制得氮化碳；
b)将8～15g的N-β-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷溶于480～520mL甲苯，在声波法下加入15～25g多水高岭土粉末和8～15g的氮化碳，把所得混合物在70～90℃下搅拌3～5小时，再将所得沉淀物放入四氢呋喃和蒸馏水混合液中，离心干燥后得到负载有氮化碳的多水高岭土粉末。
进一步，所述四氢呋喃和蒸馏水的体积比为1:1；离心时间为2～4小时，干燥温度为60～80℃；干燥时间为5～7小时。
前述的光催化材料层，由氮化碳颗粒负载于多水高岭土颗粒制成，将氮化碳颗粒负载于多水高岭土颗粒上，可以有效解决催化剂材料易于脱落以及催化剂颗粒的沉积所导致的堵塞问题。多水高岭土颗粒，廉价易得，附着效率高，氮化碳颗粒负载于多水高岭土颗粒后不易脱落，保证了高效降解的持续性。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、防止河水冲刷及侧向侵蚀，护岸固坡；
2、提供水生植物生长空间，维持河流生态环境；
3、光催化降解河流中的有机污染物，净化水质；
4、制作成本低廉，材料廉价易得。
附图说明
图1为本发明可见光响应的光催化生态护岸砖示意图；
图2为本发明可见光响应的光催化生态护岸砖在河岸中使用范围示意图；
附图说明：光包括光催化材料层1；混凝土层2；水生植物3；
水面4；河底5；护岸6。
具体实施方式
下面结合附图对本设计的具体实施方法进行举例说明，本例仅作为例证，不对本设计构成任何限制，实施例为本发明的设计和制作例。
图1示意了本发明中的可见光响应的光催化生态护岸砖，包括光催化材料层1和混凝土层2两层。其中光催化生态护岸砖为正六边形棱柱，正中为圆柱形镂空，生态护岸砖的制备材料为水泥、砂、天然粗骨料、氮化碳、减水剂和粘合剂。所述生态护岸砖上层为光催化材料层，由负载有氮化碳的多水高岭土粉末和水泥均匀混合而成；下层为混凝土层，保证该生态护岸砖的机械强度；圆柱形镂空是可供水生植物3生长。天然粗骨料使用《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》规定的满足Ⅱ类要求的碎石、卵石即可。
可见光响应的光催化生态护岸砖的具体实施例：
实施例1
a)将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和负载有氮化碳的多水高岭土粉末以2:4:3:0.5:1的质量比投入搅拌机均匀混合，即可得光催化材料层原料，其中天然粗骨料采用粒径5的卵石。
b)首先将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和减水剂制作纯混凝土层，混合浆液中水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和减水剂的质量比为7:18:3:1:1，混合浆液在2小时混合均匀后加入制备装置，用压板压实，缓慢干燥，从而可得纯混凝土层。
c)在混凝土层的上表面加入少量水泥、水和粘合剂，水泥、水和粘合剂的质量比为8:3:1再加上光催化材料层原料，该原料的投加量需完全覆盖纯混凝土层的上表面，投加完毕后用压板压实，静置冷却3天，即可制得光催化生态护岸砖。
其中，负载有氮化碳的多水高岭土粉末的制作方法为：
a)首先在半封闭系统中直接加热三聚氰胺，将三聚氰胺粉末放入铝制坩埚中，加盖，然后置于马弗炉中加热至400℃，加热速率为15℃/min，然后再进一步进行脱氨反应，在500℃下加热两个小时，制得氮化碳。
b)将8g的N-β-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷溶于480mL甲苯，在声波法下加入15g多水高岭土粉末和8g的氮化碳，把所得混合物在70℃下搅拌3小时，再将所得沉淀物放入四氢呋喃和蒸馏水混合液(四氢呋喃和蒸馏水的体积比为1:1)中离心2小时，所得粉末在60℃下干燥5小时，即可得到负载有氮化碳的多水高岭土粉末。
实施例2
a)将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和负载有氮化碳的多水高岭土粉末以3:8:5:0.8:1的质量比投入搅拌机均匀混合，即可得光催化材料层原料，其中天然粗骨料采用粒径10mm的碎石。
b)首先将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和减水剂制作纯混凝土层，混合浆液中水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和减水剂的质量比为8:22:12:2:1，混合浆液在3小时混合均匀后加入制备装置，用压板压实，缓慢干燥，从而可得纯混凝土层。
c)在混凝土层的上表面加入少量水泥、水和粘合剂，水泥、水和粘合剂的质量比为12:5:1再加上光催化材料层原料，该原料的投加量需完全覆盖纯混凝土层的上表面，投加完毕后用压板压实，静置冷却5天，即可制得光催化生态护岸砖。
其中，负载有氮化碳的多水高岭土粉末的制作方法为：
a)首先在半封闭系统中直接加热三聚氰胺，将适量三聚氰胺粉末放入铝制坩埚中，加盖，然后置于马弗炉中加热至500℃，加热速率为25℃/min，然后再进一步进行脱氨反应，分别在580℃下加热两个小时，制得氮化碳。
b)将15g的N-β-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷溶于520mL甲苯，在声波法下加入25g多水高岭土粉末和15g的氮化碳，把所得混合物在90℃下搅拌5小时，再将所得沉淀物放入四氢呋喃和蒸馏水混合液(四氢呋喃和蒸馏水的体积比为1:1)中离心4小时，所得粉末在80℃下干燥7小时，即可得到负载有氮化碳的多水高岭土粉末。
图2示意了该可见光响应的光催化生态砖在天然河道的河岸上的应用，根据水面4的正常水平面所处高度，在其垂直高度的上下各0.5m处所夹的护岸6使用本发明中的可见光响应的光催化生态砖，保证砖上的材料能够接收到太阳光的照射，同时，由于河流也存在潮涨潮落的情况，这样处理可以更加有效地处理河流表面的有机污染。
以上仅是本发明的实施方式举例，对于具备专业知识和技术能力的技术人员来说，可以在不脱离基本原理的情况下对本发明进行改进，这些改进也应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可见光响应的光催化生态护岸砖，其特征在于，所述可见光响应的光催化生态护岸砖包括光催化材料层和混凝土层，上层为光催化材料层，下层为混凝土层，上层和下层粘结一体；所述可见光响应的光催化生态护岸砖为正六边形棱柱，正中为圆柱形镂空。
2.权利要求1所述的一种可见光响应的光催化生态护岸砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光催化材料层的制备
将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和负载有氮化碳的多水高岭土粉末以2～3:4～8:3～5:0.5～0.8:1的质量比搅拌混合均匀，得光催化材料层原料；
2)混凝土层的制作
将水泥、天然粗骨料、水、粘合剂和减水剂按照7～8:18～22:3～12:1～2:1质量比混合均匀后放入制备装置内压实干燥，得到混凝土层；
3)光催化生态护岸砖的制作
在混凝土层的上表面加入水泥、水和粘合剂，水泥、水和粘合剂的质量比为8～12:3～5:1，再加上光催化材料层原料至完全覆盖纯混凝土层的上表面后压实，静置冷却3～5天，制得光催化生态护岸砖。
3.根据权利要求2所述的一种可见光响应的光催化生态护岸砖的制备方法，其特征在于，所述天然粗骨料为碎石，卵石。
4.根据权利要求2所述的一种可见光响应的光催化生态护岸砖的制备方法，其特征在于，所述天然粗骨料粒径为5～10mm。
5.根据权利要求2所述的一种可见光响应的光催化生态护岸砖的制备方法，其特征在于，所述负载氮化碳多水高岭土粉末的制备方法包括以下步骤：
a)先在半封闭系统中直接加热三聚氰胺成三聚氰胺粉末，将三聚氰胺粉末放入铝制坩埚中，加盖后置于马弗炉中加热至400～500℃，加热速率为15～25℃/min，然后在500～580℃下加热两个小时，进行脱氨反应，制得氮化碳；
b)将8～15g的N-β-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷溶于480～520mL甲苯，在声波法下加入15～25g多水高岭土粉末和8～15g的氮化碳，把所得混合物在70～90℃下搅拌3～5小时，再将所得沉淀物放入四氢呋喃和蒸馏水混合液中，离心干燥后得到负载有氮化碳的多水高岭土粉末。
6.根据权利要求5所述的一种可见光响应的光催化生态护岸砖的制备方法，其特征在于，所述四氢呋喃和蒸馏水的体积比为1:1；离心时间为2～4小时，干燥温度为60～80℃；干燥时间为5～7小时。
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