CN107096537B - 一种Fe2O3掺杂TiO2负载膨胀珍珠岩的漂浮型环境修复材料及其制备方法 - Google Patents

一种Fe2O3掺杂TiO2负载膨胀珍珠岩的漂浮型环境修复材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Fe2O3掺杂TiO2负载膨胀珍珠岩的漂浮型环境修复材料及其制备方法，根据膨胀珍珠岩是低容重、多孔状材料，具有无毒性、耐酸碱、吸附性强等特点，表面存在大量的硅醇基和硅醚基，将其与TiO2的光催化能力结合，利用Fe2O3掺杂以及氧气和/或氨气下煅烧进一步增加其光催化能力，制备出易于回收的环境修复材料，可用于环境中有机污染物的去除。

Description

一种Fe2O3掺杂TiO2负载膨胀珍珠岩的漂浮型环境修复材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种去除水体环境中有机污染物的环境修复材料及其制备方法，属于环境修复领域。
背景技术
目前，不同煅烧氛围对Fe2O3/TiO2光催化性能的研究很少，尚处于初步研究阶段。Zhu等人通过溶胶-凝胶法制备了Fe2O3-TiO2/FAC复合材料，并在空气氛围下高温（500℃）煅烧2h以去除表面残留有机物（Zhu J, Liu S, Ge J, et al. Synthesis of Fe 2 O 3—TiO2 /fly-ash-cenosphere composite and its mechanism of photocatalytic oxidationunder visible light[J]. Research on Chemical Intermediates, 2015, 42(4):1-18.）；Palanisamy B等人通过溶胶-凝胶法制备了Fe2O3-TiO2复合材料，并在氮气氛围下高温（400℃）煅烧6h以打开闭塞孔道（Palanisamy B, Babu C M, Sundaravel B, et al.Sol-gel synthesis of mesoporous mixed Fe2O3/TiO2 photocatalyst: applicationfor degradation of 4-chlorophenol.[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013,s 252–253(4):233-242.）。在氧气氛围中煅烧可以使TiO2充分氧化，表面被羟基化，提高结晶度，降低缺陷，完善晶体结构从而完善电子结构，有利于光催化中光生载流子的转移；氨气在高温下具有强还原性，N会取代部分O的位置，形成O-Ti-N键，进一步缩小TiO2的禁带宽度，提高光催化效率。
但是，传统Fe2O3负载二氧化钛存在一些问题，如粉末状Fe2O3/TiO2难分离、易聚集，不利于回收再利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于膨胀珍珠岩的Fe2O3掺杂纳米TiO2的环境修复材料及其制备方法，其作为环境修复材料用于环境中有机染料的降解，催化剂稳定性强，因而具有广泛的应用前景。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种Fe2O3掺杂TiO2负载膨胀珍珠岩的漂浮型环境修复材料及其制备方法，其步骤为：
第一步：将钛酸四异丙酯置于无水乙醇搅拌得到溶液C；将Fe2O3溶于一定量的去离子水中超声分散，加入乙酸搅拌后得到溶液D；
第二步：将粒径为10~20目的膨胀珍珠岩加入到溶液C中，搅拌，并逐滴滴加溶液D，待形成凝胶，静置、老化；
第三步：将第二步得到的Fe2O3掺杂TiO2负载的膨胀珍珠岩烘干后，在氧气和/或氨气氛围下，于450±20℃下煅烧10~20min，制得所述的环境修复材料。
进一步的，第一步中，Fe2O3通过将FeCl3·6H2O溶解于油酸形成混合物A，将A放入玻璃器皿中强烈搅拌，再加入月桂醇，形成混合物B，再将B转移至微波反应釜反应30min，降温、离心、洗涤、超声、再离心后得到。
进一步的，第一步中，溶液C中的钛酸四异丙酯与溶液D中的Fe2O3按Fe/Ti摩尔比为0.05~0.1，乙酸与去离子水的体积比为1.5:1~1.75:1。
进一步的，第二步中，膨胀珍珠岩先采用硝酸清洗后再用去离子水洗至中性，烘干、过筛；再用NaOH溶液浸泡刻蚀1~3h，再用去离子水反复冲洗，烘干。
进一步的，第二步中，膨胀珍珠岩与溶液C中的钛酸四异丙酯的质量比为1:2~1:3.5，老化时间为24h以上。
进一步的，第三步中，氧气或氨气的流速为300~400ml/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明合成工艺简单，生产成本低，利于低成本的大规模生产。
（2）采用先制备Fe2O3作为前驱体，有利于提高可见光吸附，增大光催化性能。
（3）采用钛酸四异丙酯作为钛源，有助于提高二氧化钛的结晶度，使得水解程度更加可控。
（4）采用氧气作为煅烧氛围，有利于完善晶体结构和改善催化材料的吸附性能；采用氨气作为煅烧氛围，即为催化材料提供了氮源，又大大提高光催化效率。
附图说明
图1是本发明实施例1中的所制备的Fe2O3的场发射扫描电镜图（a为低倍数，b为高倍数）。
图2是本发明实施例2中的所制备的Fe2O3-TEP(O2,NH3)的场发射扫描电镜图。
图3是本发明实施例1-5的RhB随时间的光催化降解率图。
具体实施方式
根据膨胀珍珠岩具有轻质多孔，可漂浮于水和超强的表面吸附作用，对持久性有机污染物具有很强降解能力的原理，将其与TiO2的光催化能力结合，利用Fe2O3掺杂进一步增加其光催化能力，制备出易于回收、可重复利用的新型环境修复材料，用于环境中有机污染物的降解。
本发明所述的环境修复材料用于有机废水处理的使用方法包括以下步骤：
（1）环境修复材料投加到有机废水中，污染浓度10mg/L，获得的光催化剂投加比为2g/L，经搅拌、吸附、光照，去除废水中难降解有机污染物；
（2）捞起漂浮的环境修复材料，超声清洗2 min，于200~300℃活化1~3小时，得到活化后的环境修复材料；
（3）活化后的环境修复材料重复用于有机废水的处理。
实例1
取一定量的FeCl3·6H2O溶于油酸，形成混合物A；将A强烈搅拌并加入月桂醇，形成混合物B；将B转移至微波反应釜反应30min；降温、离心、洗涤、超声、再离心，得到Fe2O3。其扫描电镜图如图1所示，Fe2O3呈球形颗粒，材料的直径在20~30nm之间。
取0.1g的Fe2O3与50mL罗丹明B溶液，加入至50mL石英管中，暗吸附1.5 h，500w氙灯光照4h。罗丹明B溶液浓度：10mg/L。如图3所示，实验测得罗丹明B的降解率9.32%。
实例2
取10ml无水乙醇、5~7ml钛酸四异丙酯倒入烧杯搅拌得到溶液A，0.01g Fe2O3加入一定量的水、加5~7ml的乙酸得到溶液B，常温下磁力搅拌器搅拌。将洗净、风干、过筛、并经过NaOH刻蚀后得到的10~20目膨胀珍珠岩颗粒放入溶液A中，将溶液B逐滴加入至溶液A及膨胀珍珠岩的混合物中，制得稳定均一的透明溶胶，在室温下老化24h；将珍珠岩烘干后于管式炉，氧气氛围(300~400ml/min)下，450℃煅烧10min，制得Fe2O3-TEP(O2)环境修复材料，其形貌如图2所示。
取0.1g的Fe2O3-TEP(O2)与50mL罗丹明B溶液，加入至50mL石英管中，暗吸附1.5 h，500w氙灯光照4h。罗丹明B溶液浓度：10mg/L。如图3所示，实验测得罗丹明B的降解率62.48%。
实例3
取10ml无水乙醇、5~7ml钛酸四异丙酯倒入烧杯搅拌得到溶液A，0.01g Fe2O3加入一定量的水、加5~7ml的乙酸得到溶液B，常温下磁力搅拌器搅拌。将洗净、风干、过筛、并经过NaOH刻蚀后得到的10~20目膨胀珍珠岩颗粒放入溶液A中，将溶液B逐滴加入至溶液A及膨胀珍珠岩的混合物中，制得稳定均一的透明溶胶，在室温下老化24h；将珍珠岩烘干后于管式炉，氨气氛围(300~400ml/min)下，450℃煅烧10min，制得Fe2O3-TEP(NH3)环境修复材料。
取0.1g的Fe2O3-TEP(NH3)与50mL罗丹明B溶液，加入至50mL石英管中，暗吸附1.5h，500w氙灯光照4h。罗丹明B溶液浓度：10mg/L。如图3所示，实验测得罗丹明B的降解率47.48%。
实例4
取10ml无水乙醇、5~7ml钛酸四异丙酯倒入烧杯搅拌得到溶液A，0.01g Fe2O3加入一定量的水、加5~7ml的乙酸得到溶液B，常温下磁力搅拌器搅拌。将洗净、风干、过筛、并经过NaOH刻蚀后得到的10~20目膨胀珍珠岩颗粒放入溶液A中，将溶液B逐滴加入至溶液A及膨胀珍珠岩的混合物中，制得稳定均一的透明溶胶，在室温下老化24h；将珍珠岩烘干后于管式炉，先在氧气氛围(300~400ml/min)下，450℃煅烧10min，再在氨气氛围(300~400ml/min)下，450℃煅烧10min，制得Fe2O3-TEP(O2,NH3)环境修复材料。
取0.1g的Fe2O3-TEP(O2,NH3)与50mL罗丹明B溶液，加入至50mL石英管中，暗吸附1.5 h，500w氙灯光照4h。罗丹明B溶液浓度：10mg/L。如图3所示，实验测得罗丹明B的降解率87.59%。
实例5
取10ml无水乙醇、5~7ml钛酸四异丙酯倒入烧杯搅拌得到溶液A，0.01g Fe2O3加入一定量的水、加5~7ml的乙酸得到溶液B，常温下磁力搅拌器搅拌。将洗净、风干、过筛、并经过NaOH刻蚀后得到的10~20目膨胀珍珠岩颗粒放入溶液A中，将溶液B逐滴加入至溶液A及膨胀珍珠岩的混合物中，制得稳定均一的透明溶胶，在室温下老化24h；将珍珠岩烘干后于管式炉，先在氨气氛围(300~400ml/min)下，450℃煅烧10min，再在氧气氛围(300~400ml/min)下，450℃煅烧10min，制得Fe2O3-TEP(NH3,O2)环境修复材料。
取0.1g的Fe2O3-TEP(NH3,O2)与50mL罗丹明B溶液，加入至50mL石英管中，暗吸附1.5 h，500w氙灯光照4h。罗丹明B溶液浓度：10mg/L。如图3所示，实验测得罗丹明B的降解率65.02%。

Claims (5)

1.一种Fe2O3掺杂TiO2负载膨胀珍珠岩的漂浮型环境修复材料的制备方法，其特征在于，通过如下步骤制备：
第一步：将钛酸四异丙酯置于无水乙醇搅拌得到溶液A；将Fe2O3溶于一定量的去离子水中超声分散，加入乙酸搅拌后得到溶液B，溶液A中的钛酸四异丙酯与溶液B中的Fe2O3按Fe/Ti摩尔比为0.05~0.1，乙酸与去离子水的体积比为1.5:1~1.75:1；
第二步：将粒径为10~20目的膨胀珍珠岩加入到溶液A中，搅拌，并逐滴滴加溶液B，待形成凝胶，静置、老化，膨胀珍珠岩与溶液A中的钛酸四异丙酯的质量比为1:2~1:3.5，老化时间为24h以上；
第三步：将第二步得到的Fe2O3掺杂TiO2负载的膨胀珍珠岩烘干后，先在氧气氛围下，450℃煅烧10min，再在氨气氛围下，450℃煅烧10min，制得所述的环境修复材料，其中，氧气和氨气的流速为300~400ml/min。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，Fe2O3通过将FeCl3·6H2O溶解于油酸形成混合物A，将A放入玻璃器皿中强烈搅拌，再加入月桂醇，形成混合物B，再将B转移至微波反应釜反应30min，降温、离心、洗涤、超声、再离心后得到。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，膨胀珍珠岩先采用硝酸清洗后再用去离子水洗至中性，烘干、过筛；再用NaOH溶液浸泡刻蚀1~3h，再用去离子水反复冲洗，烘干。
4.如权利要求1~3任一所述的方法制备的修复材料。
5.如权利要求4所述的修复材料在去除水体环境中有机污染物上的应用。
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