CN106944073A - 一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法 - Google Patents

一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法。先将大块矿渣单独破碎,通过2~3级破碎得到直径1 mm左右的微粒;将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨60 h后,将0.01~0.1g的CeO2与球磨过的高炉渣在玛瑙研钵中混;混匀后用直径为12 mm的模具在10 MPa的压力下单向加压成型;将样品在氧化气氛和常压下于700~900℃煅烧,保温1~3 h;然后随炉温自然冷却到室温。所得光催化剂抗菌材料为平均粒径在2~3 μm的颗粒。抗菌粉体在紫外‑可见光范围的光吸收性能良好;对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)的杀菌率可达到90%。

Description

一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制 备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及环境化工光催化固体废弃物处理技术领域,特别涉及可见光处理常见 细菌污染建筑材料领域,具体是一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的 制备方法。
背景技术
[0002] 功能材料、信息技术和生物技术是21世纪社会经济发展的三个支柱,光催化材料 作为一类重要的功能材料,具有广阔的应用前景。由于TiO2光催化活性高、化学稳定性好、 价廉无毒、寿命长、可重复利用而被公认为是最具应用前景的光催化剂。但TiO2较宽的能隙 (3.2ev)决定了其只能吸收紫外光波(仅占太阳光6%左右)。含钛高炉渣是冶炼生铁过程中 从高炉中排出的副产品,是我国现阶段主要的冶炼废渣之一。随着钢铁工业的发展,含钛高 炉渣的堆积量日益增大,不仅对环境造成了严重污染,也是一种资源的严重浪费,对含钛高 炉渣进行综合利用,已刻不容缓。就攀钢而言,每年排放约300多万吨的含钛高炉渣,至今已 累计排放5000多万吨,既浪费了钛资源,又污染了环境。传统的再利用过程是将含钛高炉渣 作为建筑材料,或者作为制取钛的原料。将含钛高炉渣像普通高炉渣一样处理,作为水泥或 混凝土的组份材料,虽然可以处理大量的高炉渣,却对渣中TiO2有巨大浪费;且矿渣中的 TiO2含量大于10%时,将明显地降低水泥强度。作为制取钛的原料时,TiO2的品位又太低,所 应用的工艺繁琐,导致成本过高,难以立项投产,而且易造成二次污染。为了充分利用含钛 高炉渣中的钛资源,降低含钛高炉渣对环境污染的影响,首先提出了将含钛高炉渣整体作 为光催化材料的思想,进行了大量的研究,并取得了一定效果。用含钛高炉渣代替纯TiO2作 为光催化材料,研究含钛高炉渣的光催化性能,并将其整体应用于光催化材料,是合理利用 中间产品,不但可以降低光催化材料的成本和消除生产过程中对环境造成污染的有效途 径;而且也是对含钛高炉矿渣的完全利用,对环境也不会造成二次污染,达到以废治废的目 的。
[0003] 大量研究表明含钛高炉渣中含有一定量的其他金属和非金属离子,这些离子对 TiO2的光催化作用有一定的促进作用,并向TiO2中掺杂Dy离子可扩展其对光的响应范围。
发明内容
[0004] 本发明的目的旨在提供一种简单、易于操作、催化活性高的钙钛矿型结构的含钛 高炉渣的光催化抗菌材料的制备工艺。
[0005] 本发明为实现此目的,采取的技术方案如下:
[0006] —种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法,制备步骤包 括:
[0007] 步骤1:将大块攀钢含钛高炉矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的 微粒;
[0008] 步骤2:将步骤1得到的微粒放入球磨罐球磨56〜65h;
[0009] 步骤3:将0.01-0. Ig的CeO2与1.9-2. Og步骤2所得物料在玛瑙研钵中混合均匀;
[0010] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在I OMPa的压力下单向加压成型;
[0011] 步骤5:将样品在氧化气氛和常压下于790〜800°C煅烧,保温1.5〜2h,然后随炉温 自然冷却到室温,即得到铈掺杂含钛高炉渣光催化抗菌材料,该催化剂直径约为2〜3μπι。
[0012] 其中,步骤2所述的原料球磨时间为60h。
[0013] 其中,步骤3所述的CeO2质量为0 · 02-0 · lg。
[0014] 其中,步骤5所述的反应温度为800°C。
[0015] 其中,步骤5所述的保温时间为2h。
[0016] 与现有技术相比,本发明有以下优点:
[0017] (1)高温固相法合成了钙钛矿型结构的镝掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料;
[0018] (2)合成的材料具有很好的可见光催化活性和抗菌性能,在可见光照射下,对金黄 色葡萄球菌(ATCC6538)的杀菌率可达到90% ;
[0019] (3)合成过程操作容易,产物产率高,重复性好,符合实际生产的需要。
附图说明
[0020] 图1为本发明实施例1制备的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的SEM图;
[0021] 图2为正交实验1〜5催化剂BFSTC样品的υν-vis漫反射谱图;
[0022] 图3为正交实验6〜9催化剂BFSTC样品的UV-vis漫反射谱图;
[0023] 图2中,1-5的样品分别为表1中实验1至实验5五种条件下制备得到的BFSTC材料;
[0024] 图3中,6-9的样品分别为表1中实验6至实验9四种条件下制备得到的BFSTC材料。
具体实施方式
[0025] 下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以 任何方式限制本发明。
[0026] 实施例1
[0027] 铈镝掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备步骤为:
[0028] 步骤1:先将大块矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的微粒;
[0029] 步骤2:将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨60h,粒径可达到几微米;
[0030] 步骤3:将0.02g的CeO2与球磨过的高炉渣1.98g在玛瑙研钵中混合均匀;
[0031] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在IOMPa的压力下单向加压成型;
[0032] 步骤5:将步骤4的产物放置在刚玉坩埚中,在氧化气氛和常压下于800°C煅烧2h; 然后随炉温自然冷却到室温,即得到白色的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料,该材料 为钙钛矿型结构的微米粉体,直径约为2μπι。
[0033] 图1为本发明实施例1制备的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的SEM图,从图 中可以看出所制备的材料为颗粒状,平均粒径在2〜3μπι。
[0034] 实施例2
[0035] 铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备步骤为:
[0036] 步骤1:先将大块矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的微粒;
[0037] 步骤2:将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨56h,粒径可达到几微米;
[0038] 步骤3:将0.06g的CeO2与球磨过的高炉渣1.94g在玛瑙研钵中混合均匀;
[0039] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在I OMPa的压力下单向加压成型;
[0040] 步骤5:将步骤4的产物放置在刚玉坩埚中,在氧化气氛和常压下于790°C煅烧2h; 然后随炉温自然冷却到室温,即得到白色的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料,该材料 为钙钛矿型结构的微米粉体,直径约为2μπι。
[0041] 实施例3
[0042] 铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备步骤为:
[0043] 步骤1:先将大块矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的微粒;
[0044] 步骤2:将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨65h,粒径可达到几微米;
[0045] 步骤3:将0. Ig的CeO2与球磨过的高炉渣1.9g在玛瑙研钵中混合均匀;
[0046] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在I OMPa的压力下单向加压成型;
[0047] 步骤5:将步骤4的产物放置在刚玉坩埚中,在氧化气氛和常压下于800°C煅烧 1.5h;然后随炉温自然冷却到室温,即得到白色的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料,该 材料为|丐钛矿型结构的微米粉体,直径约为2μηι。
[0048] 实施例4
[0049] 铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备步骤为:
[0050] 步骤1:先将大块矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的微粒;
[0051] 步骤2:将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨58h,粒径可达到几微米;
[0052] 步骤3:将0. Ig的CeO2与球磨过的高炉渣1.9g在玛瑙研钵中混合均匀;
[0053] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在I OMPa的压力下单向加压成型;
[0054] 步骤5:将步骤4的产物放置在刚玉坩埚中,在氧化气氛和常压下于790°C煅烧2h; 然后随炉温自然冷却到室温,即得到白色的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料,该材料 为钙钛矿型结构的微米粉体,直径约为2μπι。
[0055] 实施例5
[0056] 铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备步骤为:
[0057] 步骤1:先将大块矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的微粒;
[0058] 步骤2:将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨62h,粒径可达到几微米;
[0059] 步骤3:将0. Ig的CeO2与球磨过的高炉渣1.9g在玛瑙研钵中混合均匀;
[0060] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在I OMPa的压力下单向加压成型;
[0061] 步骤5:将步骤4的产物放置在刚玉坩埚中,在氧化气氛和常压下于800°C煅烧2h; 然后随炉温自然冷却到室温,即得到白色的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料,该材料 为钙钛矿型结构的微米粉体,直径约为2μπι。
[0062] 实施例6
[0063] 铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备步骤为:
[0064] 步骤1:先将大块矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径Imm左右的微粒;
[0065] 步骤2:将获得的含钛高炉渣微粒放入球磨罐球磨60h,粒径可达到几微米;
[0066] 步骤3:将0. Ig的CeO2与球磨过的高炉渣1.9g在玛瑙研钵中混合均匀;
[0067] 步骤4:将步骤3中产物用直径为12mm的模具在IOMPa的压力下单向加压成型;
[0068] 步骤5:将步骤4的产物放置在刚玉坩埚中,在氧化气氛和常压下于800°C煅烧2h; 然后随炉温自然冷却到室温,即得到白色的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料,该材料 为钙钛矿型结构的微米粉体,直径约为2μπι。
[0069] 抗菌粉体在紫外-可见光范围的光吸收性能良好;掺铈5%,煅烧温度为800°C保温 2h条件下对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌性能最佳。
[0070] 不同条件下制备的铈掺杂含钛高炉渣光催化材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、 白色念珠菌做了一个抗菌正交实验,实验结果如表1所示:
[0071] 表1不同BFSTC材料抗菌正交实验结果
Figure CN106944073AD00061
[0074] 表1为正交实验结果,从表中极差数据分析可知掺铈质量分数、煅烧温度、保温时 间、菌种这四种因素对BFSTC抗菌性能影响的作用从大到小的顺序为:菌种〉温度〉时间〉Ce 质量分数;从正交表均值数据可以得出抗菌性能最好的条件组合为A3B2C2D2 体的铈掺杂量为5 %,合成条件为80 0 °C保温2h时,制备的材料对金黄色葡萄球菌 (ATCC6538)的抗菌性最好。
[0075] 图2为正交实验1〜5催化剂BFSTC样品的UV-vis漫反射谱图,图3为正交实验6〜9 催化剂BFSTC样品的UV-vis漫反射谱图,图中1-9的样品分别为表1中9种条件下制备得到的 BFSTC材料。
[0076] 分别对正交实验1〜9中BFSTC九种样品粉体作漫反射吸收分析,测试结果见图2和 图3。从图中可以看出掺铈后BFSTC粉体在200〜700nm间的光都有不同程度的吸收,这大大 扩展了BFST (仅在200〜400nm波段吸光)的光响应范围。图2中实验2、5的BFSTC催化剂的光 吸收边在可见光区的延伸范围较大,红移程度最明显;图3中7、9的BFSTC催化剂的光吸收边 在可见光区的延伸范围较大,红移程度明显。

Claims (5)

1. 一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法,其特征在于,制备步骤包括: 步骤1:将大块攀钢含钛高炉矿渣单独破碎,通过2〜3级破碎得到直径I mm左右的微粒; 步骤2:将步骤1得到的微粒放入球磨罐球磨56〜65 h; 步骤3:将0.01-0. Ig的CeO2与1.9-2. Og步骤2所得物料在玛瑙研钵中混合均匀; 步骤4:将步骤3中产物用直径为12 mm的模具在10 MPa的压力下单向加压成型; 步骤5:将样品在氧化气氛和常压下于790〜800°C煅烧,保温1.5〜2 h,然后随炉温自然冷却到室温,即得到铈掺杂含钛高炉渣光催化抗菌材料,该催化剂直径约为2〜3 μπι。
2. 根据权利要求1所述的一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法,其特征在于,步骤2所述的原料球磨时间为60 h。
3. 根据权利要求1所述的一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法,其特征在于,步骤3所述的CeO2质量为0.02-0. lg。
4. 根据权利要求1所述的一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法,其特征在于,步骤4所述的反应温度为800°C。
5. 根据权利要求1所述的一种可见光响应的铈掺杂含钛高炉渣的光催化抗菌材料的制备方法,其特征在于,步骤4所述的保温时间为2h。
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