CN107744807B - 一种粉末催化材料、复合多孔纳米催化材料的制备及应用 - Google Patents
一种粉末催化材料、复合多孔纳米催化材料的制备及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种粉末催化材料为AgGaTiNb2O9粉末催化材料,采用柠檬酸络合法、硬脂酸法或固相烧结法制备,用于废水中有机污染物的降解催化;以及复合多孔纳米催化材料为AgGaTiNb2O9‑凹凸棒土复合多孔纳米催化材料的制备方法,用于用于废水中有机污染物的降解催化;本发明所制备的催化材料可以更高效的降解废水中的十溴二苯醚、甲基兰和罗丹明B。
Description
技术领域
本发明涉及两种催化材料的制备及应用,分别是粉末催化材料AgGaTiNb2O9和AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合多孔纳米催化材料。
背景技术
随着近些年来我国现代化进程的加快,在发展过程中引起的包括水污染在内的环境污染问题也越来越严重,相关统计表明我国工业废水的排放量逐年增多,这些排放的工业废水对人类的健康有着巨大的危害。针对水污染问题,目前的解决办法主要有物理法、化学法、生物法;这些方法处理水污染中的有机污染物的的原理都是将污水中的有机污染物分解成二氧化碳和水等对环境无害的小分子。除此之外,新兴起半导体光催化氧化技术作为一种节能、无二次污染的高级氧化技术,能将许多难生物降解的有机污染物降解为无害物质,受到了废水处理领域研究者的青睐,成为他们的研究热点内容。TiO2作为该技术常用的光催化剂,已经被广泛应用于水处理的过程中,但TiO2能带较宽,只对波长较短的紫外光产生响应,而太阳光中紫外光仅占5%,并且TiO2颗粒较小,不易分离与回用,从而限制了它的发展。
为了从根木上解决环境污染问题,开发新型的高效太阳能转换光催化材料体系已经成为当前环境领域的一个重大难题。层状铌酸盐光催化剂具有选择性好、比表面积较大、表面活性中心多等特点,更重要的是反应可以在夹层狭小的空间中进行,因此有很大的可能控制粒子粒度或聚集尺寸的大小,还可通过主客体间的协同作用,有效抑制光生电子与光致空穴间复合反应的发生,有效提高光催化性能。邹志刚等在上Nature上报道了一类复杂氧化物微粒In1-xNixTaO4在可见光照射下就能将水分解,这代表着继第一代光催化材料TiO2后,第二代可见光响应型光催化材料体系研究的开始。Mengkui Tian等也通过固相反应法合成了层状铌酸盐光催化剂K4Ce2Nb10O30,其光吸收边为690nm,相应的禁带宽度为1.8eV,对可见光照射下的Na2SO3水溶液具有很强的析氢能力,并表现出较好的光催化效果。日本科学家Inoue等为了提高太阳光中可见光能的使用率,在半导体层状化合物铌酸钾中插入有机色素卜啉衍生物,合成了染料敏化层状光催化纳米复合材料,并用可见光照射分析其光催化活性较好。但是是层状铌酸盐材料本身的酸催化活性偏低,所以要对其进行一些必要的改性修饰,期望提高其对光催化降解的催化性能。
因此,如何提供一种吸附能力好、成本低以及易制备的催化材料可以更高效的除去废水中的有机污染物成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种粉末催化材料、复合多孔纳米催化材料的制备及应用,本发明制备的粉末催化材料AgGaTiNb2O9和以多孔型链层状含水富镁硅铝酸盐类黏土——凹凸棒土作为光催化剂载体来制备出AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合多孔纳米催化材料,在可见光下处理水中的有机污染物,去除效果较好,表现出很好的发展前景。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种粉末催化材料的制备方法,所述粉末催化材料为AgGaTiNb2O9粉末催化材料,所述制备方法为柠檬酸络合法,包括如下步骤:
1)首先将Nb2O5加入足量的浓氢氟酸中,80℃水浴加热40-50h至完全溶解,再向其中加入足量草酸氨溶液,并将过量的氨水溶液滴入溶液中,不断搅拌,得到白色的Nb2O5·xH2O沉淀;沉淀物在75-85℃老化12h后,先用氨水、再用蒸馏水洗涤数次以去除其中的氟离子;然后按照柠檬酸:Nb=3:1的比例,将柠檬酸溶液加入沉淀物中,于60℃下水浴搅拌至形成澄清透明的Nb-柠檬酸盐溶液待用;
2)按照摩尔比为Ag:Ga:Ti:Nb=1:1:1:2,准确称取AgNO3、Ga(NO3)3、TiCl4、NbCl5,按照n(EDTA):n(金属离子)=1.1:1将EDTA-氨水溶液加入其中,不断搅拌至澄透明,用氨水调节溶液pH值至为7;将此混合溶液逐滴加入至步骤a中制备的Nb一柠檬酸盐溶液中,用氨水和稀硝酸调节pH值至7-8,最后加入乙二醇,得到澄清透明且具有高稳定性的前驱体溶液;
3)将步骤2)制备的前驱体溶液在60℃水浴中搅拌5h,然后在80℃下蒸干水分,得到黏稠状胶体;将胶体于160℃下干燥5h,于马弗炉中350℃恒温3h燃烧分解有机物,然后升温至700-1000℃,煅烧3h,冷却得到粉体,即得AgGaTiNb2O9粉末催化材料;
进一步地,一种粉末催化材料的制备方法,所述制备方法或为硬脂酸合成法,所述硬脂酸合成法包括如下步骤:
1)用电子天平称取1.25g AgNO3溶于适量去离子水中,得到硝酸银溶液,用电子天平称取3.07g Ga(NO3)3溶于适量去离子水中,得到硝酸镓溶液;
2)用电子天平称取两份10g的硬脂酸分别加入步骤a制备的两种溶液中,在恒温磁力搅拌器上加热并搅拌使其熔融得到澄清的溶液;
3)将步骤2)制备的两种澄清液迅速混合,并同时加入3.9g的Nb2O5,于120℃下搅拌2h;
4)将步骤3)制备的溶液保持温度在110-120℃,然后加入2.5g钛酸四丁酯,混合搅拌1h形成溶胶,自然冷却得到凝胶,将凝胶在电炉上加热燃烧后得到无定形粉末前驱体;
5)将步骤4)中的无定形粉末前驱体在800℃下焙烧6h,冷却研磨得到AgGaTiNb2O9粉末催化材料;
进一步地,一种粉末催化材料的制备方法,所述制备方法或为固相烧结法,所述固相烧结法包括如下步骤:
1)选取纯度为99.99%的Ag2O、Gd2O3、TiO2和Nb2O5为原材料,将摩尔比Ag2O:Gd2O3:TiO2:Nb2O5=1:2:2:1的Ag2O、Gd2O3、TiO2和Nb2O5粉末充分混合;
2)然后在球磨机中研磨,粉末的粒径达到1.6-3.2微米,在170-230℃烘干2.5-3.5小时,压制成片,放入高温烧结炉中烧制;
3)将炉温升至370-430℃,保温3-5小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.4-2.8微米;
4)将步骤3)中的粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,最高炉温为720-780℃,保温7-9小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.2-2.5微米;
5)将步骤4)中的粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温,保温后冷却,取出粉末压片粉碎至粒径为0.15-0.30微米,最终制得AgGaTiNb2O9粉末光催化材料。
进一步地,步骤5)中所述升温条件为a.由20℃升温至400℃,升温时间为40-50min;b.在400℃保温90-150min;c.由400℃升温至750℃,升温时间为35-45min;d.在750℃保温480-600min;e.由750℃升温至1800℃,升温时间为110-130min;f.在1750-1850℃保温2200-2800min,炉冷;粉末压片经最高温度1750-1850℃保温2200-2800min后随炉冷却。
一种复合多孔纳米催化材料的制备方法,所述复合多孔纳米催化材料为AgGaTiNb2O9-凹凸棒土催化材料,所述制备方法为溶胶-凝胶法,所述制备方法包括如下步骤:
1)取20mL无水乙醇于烧杯中,加入10mL钛酸丁酯,用冰乙酸调节其pH值至2,搅拌30min得A溶液;
2)用电子天平准确称取0.011g AgNO3、0.027g Ga(NO3)3、0.017g NbCl5放进研钵中研磨,使其充分混匀,然后将其转移至另一烧杯中,并向其中加入10mL无水乙醇、5.3mL去离子水,使其溶解,搅拌均匀后得B溶液;
3)将B溶液缓慢滴加到A溶液中,滴加完成后继续搅拌10min;再称取2.35g凹凸棒土,加入上述混合液中,继续搅拌直至形成凝胶;
4)静置12h后,于100℃下烘干,于500℃下焙烧2h,制得AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合多孔纳米催化材料。
一种粉末催化材料的应用,所述粉末催化材料为AgGaTiNb2O9粉末催化材料,在密闭不透光的环境下,利用氙灯作为光源,并同时采用磁力搅拌和充氧曝的方式,采用AgGaTiNb2O9粉末为催化剂,降解废水中的有机污染物。
进一步地,所述有机污染物为十溴二苯醚、甲基兰和罗丹明B。
一种复合多孔纳米催化材料的应用,所述复合多孔纳米催化材料为AgGaTiNb2O9-凹凸棒土催化材料,在密闭不透光的环境下,利用氙灯作为光源,并同时采用磁力搅拌和充氧曝的方式,采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土粉末为催化剂,降解废水中的有机污染物。
进一步地,所述有机污染物为十溴二苯醚、甲基兰和罗丹明B。
本发明的有益效果:1)采用AgGaTiNb2O9粉末催化剂光催化降解废水中的甲基蓝、十溴二苯醚和罗丹明B,在5.5小时内去除率达100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达95%以上;2)采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂光催化降解废水中甲基蓝、十溴二苯醚和罗丹明B,在5.5小时内时,甲基蓝的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%;3)与现有技术相比,本发明通过多种制备方法法成功制备了粉末催化材料AgGaTiNb2O9,同时制备了AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂,粉末催化剂以及复合材料GdSnWSbO9与钠基蒙脱石的结合提高了催化剂的比表面积,促进了有机污染物和催化剂的充分接触,极大地提高了有机污染物的降解效率,并能产生巨大的环境效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为AgGaTiNb2O9粉末催化材料的透射电镜图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
具体实施例
本发明中采用柠檬酸络合法、硬脂酸合成法以及固相烧结法来制备AgGaTiNb2O9粉末催化材料。
其中采用柠檬酸络合法来制备AgGaTiNb2O9粉末催化材料,包括如下步骤:
1)首先将Nb2O5加入足量的浓氢氟酸中,80℃水浴加热40-50h至完全溶解,再向其中加入足量草酸氨溶液,并将过量的氨水溶液滴入溶液中,不断搅拌,得到白色的Nb2O5·xH2O沉淀;沉淀物在75-85℃老化12h后,先用氨水、再用蒸馏水洗涤数次以去除其中的氟离子;然后按照柠檬酸:Nb=3:1的比例,将柠檬酸溶液加入沉淀物中,于60℃下水浴搅拌至形成澄清透明的Nb-柠檬酸盐溶液待用;
2)按照摩尔比为Ag:Ga:Ti:Nb=1:1:1:2,准确称取AgNO3、Ga(NO3)3、TiCl4、NbCl5,按照n(EDTA):n(金属离子)=1.1:1将EDTA-氨水溶液加入其中,不断搅拌至澄透明,用氨水调节溶液pH值至为7;将此混合溶液逐滴加入至步骤a中制备的Nb一柠檬酸盐溶液中,用氨水和稀硝酸调节pH值至7-8,最后加入乙二醇,得到澄清透明且具有高稳定性的前驱体溶液;
3)将步骤2)制备的前驱体溶液在60℃水浴中搅拌5h,然后在80℃下蒸干水分,得到黏稠状胶体;将胶体于160℃下干燥5h,于马弗炉中350℃恒温3h燃烧分解有机物,然后升温至700-1000℃,煅烧3h,冷却得到粉体,即得AgGaTiNb2O9粉末催化材料;
其中,采用硬脂酸合成法来制备AgGaTiNb2O9粉末催化材料,包括如下步骤:
1)用电子天平称取1.25g AgNO3溶于适量去离子水中,得到硝酸银溶液,用电子天平称取3.07g Ga(NO3)3溶于适量去离子水中,得到硝酸镓溶液;
2)用电子天平称取两份10g的硬脂酸分别加入步骤a制备的两种溶液中,在恒温磁力搅拌器上加热并搅拌使其熔融得到澄清的溶液;
3)将步骤2)制备的两种澄清液迅速混合,并同时加入3.9g的Nb2O5,于120℃下搅拌2h;
4)将步骤3)制备的溶液保持温度在110-120℃,然后加入2.5g钛酸四丁酯,混合搅拌1h形成溶胶,自然冷却得到凝胶,将凝胶在电炉上加热燃烧后得到无定形粉末前驱体;
5)将步骤4)中的无定形粉末前驱体在800℃下焙烧6h,冷却研磨得到AgGaTiNb2O9粉末催化材料;
其中采用固相烧结法来制备AgGaTiNb2O9粉末催化材料,包括如下步骤:
1)选取纯度为99.99%的Ag2O、Gd2O3、TiO2和Nb2O5为原材料,将摩尔比Ag2O:Gd2O3:TiO2:Nb2O5=1:2:2:1的Ag2O、Gd2O3、TiO2和Nb2O5粉末充分混合;
2)然后在球磨机中研磨,粉末的粒径达到1.6-3.2微米,在170-230℃烘干2.5-3.5小时,压制成片,放入高温烧结炉中烧制;
3)将炉温升至370-430℃,保温3-5小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.4-2.8微米;
4)将步骤3)中的粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,最高炉温为720-780℃,保温7-9小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.2-2.5微米;
5)将步骤4)中的粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温,保温后冷却,取出粉末压片粉碎至粒径为0.15-0.30微米,最终制得AgGaTiNb2O9粉末光催化材料。
优选地,步骤5)中所述升温条件为a.由20℃升温至400℃,升温时间为40-50min;b.在400℃保温90-150min;c.由400℃升温至750℃,升温时间为35-45min;d.在750℃保温480-600min;e.由750℃升温至1800℃,升温时间为110-130min;f.在1750-1850℃保温2200-2800min,炉冷;粉末压片经最高温度1750-1850℃保温2200-2800min后随炉冷却。
采用溶胶-凝胶法来制备AgGaTiNb2O9-凹凸棒土催化材料,包括如下步骤:
1)取20mL无水乙醇于烧杯中,加入10mL钛酸丁酯,用冰乙酸调节其pH值至2,搅拌30min得A溶液;
2)用电子天平准确称取0.011g AgNO3、0.027g Ga(NO3)3、0.017g NbCl5放进研钵中研磨,使其充分混匀,然后将其转移至另一烧杯中,并向其中加入10mL无水乙醇、5.3mL去离子水,使其溶解,搅拌均匀后得B溶液;
3)将B溶液缓慢滴加到A溶液中,滴加完成后继续搅拌10min;再称取2.35g凹凸棒土,加入上述混合液中,继续搅拌直至形成凝胶;
4)静置12h后,于100℃下烘干,于500℃下焙烧2h,制得AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合多孔纳米催化材料。
本发明中将上述制备的材料引用于废水处理中,具体效果如下:
1.AgGaTiNb2O9粉末催化材料
1.1AgGaTiNb2O9的性能表征
实验原始材料高度纯净,通过X射线衍射图谱及X射线光电子能谱结果得知AgGaTiNb2O9为单相,无任何杂质相。如图1所示,从其透射电镜图谱来看,催化剂的形貌比较规则,其颗粒平均尺寸为141nm。X射线荧光光谱仪测定AgGaTiNb2O9的平均原子摩尔百分比为Ag:Ga:Ti:Nb:O=1.00:0.99:0.99:1.99:7.99。用Rietveld软件对AgGaTiNb2O9的X射线衍射结果进行结构精修,结构精修因子RP值为RP=7.92%。AgGaTiNb2O9的空间群为P21/C,结构为单斜晶体结构,晶胞参数为 β=106.884°,α=γ=90°。AgGaTiNb2O9各衍射峰的晶面指数(hkl)被标定。AgGaTiNb2O9催化剂中各个原子的空间原子位置参数被确定。采用紫外可见漫反射光谱仪对AgGaTiNb2O9在光的照射下产生的特征吸收边进行测定,获得AgGaTiNb2O9的带隙宽度为2.21eV。采用X射线光电子能谱仪测定AgGaTiNb2O9的X射线光电子能谱(见表1),由表1可知Ag、Ga、Ti、Nb、O的化合价分别为+1、+3、+4、+5、-2。同时获得AgGaTiNb2O9的能带结构,导带由Ag的5s轨道、Ga的4p轨道、Ti的3d轨道和Nb的4d轨道构成,价带由O的2p轨道构成。
表1.AgGaTiNb2O9的X射线光电子能谱内各元素的结合能峰值(eV)
2.降解目标污染物甲基蓝(C37H27Na2O9S3)
2.1.采用AgGaTiNb2O9粉末催化剂光催化降解废水中的甲基蓝(C37H27Na2O9S3)
将AgGaTiNb2O9粉末1.2g,放入500mL甲基蓝水溶液中形成悬浮体系,甲基蓝水溶液的初始浓度为0.04mmol L-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基蓝溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以AgGaTiNb2O9粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,甲基蓝的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经310分钟,甲基蓝的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达97.88%,CO2的产量为0.7235mmol,甲基蓝浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00722min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00996min-1。详尽的数据见表2。
表2.AgGaTiNb2O9粉末为催化剂降解甲基蓝所获得的相关数据
2.2采用Ag/AgGaO2粉末降解废水中的甲基蓝(C37H27Na2O9S3)
将Ag/AgGaO2粉末1.2g,放入500mL甲基蓝水溶液中形成悬浮体系,甲基蓝水溶液的初始浓度0.04mmol L-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基蓝溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6EinsteinL-1s-1。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以Ag/AgGaO2粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,甲基蓝的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)的浓度也逐渐降低,经310分钟,甲基蓝的去除率为12.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达5.18%,CO2的产率为0.0521mmol;经可见光照射550分钟后,甲基蓝的去除率为25.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达14.54%,CO2的产率为0.1011mmol,甲基蓝浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00053min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00030min-1。详尽的数据见表4。
表4.以Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解甲基蓝所获得的相关数据
2.3分别利用AgGaTiNb2O9和Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解甲基蓝的性能对比
在初始实验条件一致前提下,利用Ag/AgGaO2粉末在可见光照射下下降解废水中的甲基蓝,在可见光照射310分钟时,甲基蓝的去除率为12.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达5.18%;在可见光照射550分钟时,甲基蓝还未被完全降解,此时,甲基蓝的去除率为25.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达14.54%,CO2的产率为0.1011mmol。而在相同的初始实验条件下,利用AgGaTiNb2O9粉末在可见光照射下降解废水中的甲基蓝,在可见光照射310分钟时,甲基蓝就已经被完全降解,即此时的甲基蓝的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达97.88%,且CO2的产率比使用Ag/AgGaO2粉末时高,为0.7235mmol,明显可以看出AgGaTiNb2O9粉末对甲基蓝的降解速率比InTaO4粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用AgGaTiNb2O9降解甲基蓝的效率要远远高于Ag/AgGaO2。关于甲基蓝浓度与时间的一级动力学常数,以及总有机碳与时间的一级动力学常数,AgGaTiNb2O9粉末均比Ag/AgGaO2粉末高得多,说明利用AgGaTiNb2O9粉末降解甲基蓝的降解速率要大大快于Ag/AgGaO2粉末。
综上所述,对于可见光照射下降解去除水体中有机污染物甲基蓝,AgGaTiNb2O9粉末比Ag/AgGaO2粉末光催化性能好、降解速率快、降解效率高。
3.降解目标污染物十溴二苯醚(C12Br10O)
3.1.采用AgGaTiNb2O9粉末降解废水中的十溴二苯醚(C12Br10O)
将AgGaTiNb2O9粉末1.2g,放入500mL十溴二苯醚水溶液中形成悬浮体系,十溴二苯醚水溶液的初始浓度为0.04mmol L-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射十溴二苯醚溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以AgGaTiNb2O9粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,十溴二苯醚的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经300分钟,十溴二苯醚的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.75%,CO2的产量为0.2314mmol,十溴二苯醚浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00738min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00929min-1。详尽的数据见表3。
表3.以AgGaTiNb2O9粉末为催化剂降解十溴二苯醚所获得的相关数据
3.2采用Ag/AgGaO2粉末降解废水中的十溴二苯醚(C12Br10O)
将Ag/AgGaO2粉末1.2g,放入500mL十溴二苯醚水溶液中形成悬浮体系,十溴二苯醚水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射十溴二苯醚溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以Ag/AgGaO2粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,十溴二苯醚的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)的浓度也逐渐降低,经300分钟,十溴二苯醚的去除率为13.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达9.42%,CO2的产率为0.0201mmol;经可见光照射480分钟后,十溴二苯醚的去除率为26.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.19%,CO2的产率为0.0423mmol,十溴二苯醚浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00064min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00044min-1。详尽的数据见表6。
表6.以Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解十溴二苯醚所获得的相关数据
3.3分别利用AgGaTiNb2O9和Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解十溴二苯醚的性能对比
在初始实验条件一致前提下,利用Ag/AgGaO2粉末在可见光照射下降解废水中的十溴二苯醚,在可见光照射300分钟时,十溴二苯醚的去除率为13.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达9.42%;在可见光照射480分钟时,十溴二苯醚还未被完全降解,此时,十溴二苯醚的去除率为26.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.19%,CO2的产率为0.0423mmol。而在相同的初始实验条件下,利用AgGaTiNb2O9粉末在可见光照射下降解废水中的十溴二苯醚,在可见光照射300分钟时,十溴二苯醚就已经被完全降解,即此时的十溴二苯醚的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.75%,且CO2的产率比使用Ag/AgGaO2粉末时高,为0.2314mmol,明显可以看出AgGaTiNb2O9粉末对十溴二苯醚的降解速率比Sm2InNbO7粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用AgGaTiNb2O9降解十溴二苯醚的效率要远远高于Ag/AgGaO2。关于十溴二苯醚浓度与时间的一级动力学常数,以及总有机碳与时间的一级动力学常数,AgGaTiNb2O9粉末均比Ag/AgGaO2粉末高得多,说明利AgGaTiNb2O9粉末降解十溴二苯醚的降解速率要大大快于Ag/AgGaO2粉末。
综上所述,对于可见光照射下降解去除水体中有机污染物十溴二苯醚,AgGaTiNb2O9粉末比Ag/AgGaO2粉末光催化性能好、降解速率快、降解效率高。
4.降解目标污染物罗丹明B(C28H31ClN2O3)
4.1.采用AgGaTiNb2O9催化材料降解废水中的罗丹明B(C28H31ClN2O3)
采用AgGaTiNb2O9催化材料作为催化剂,选择水中典型难降解的罗丹明B作为目标降解物。罗丹明B水溶液的初始浓度为0.04mmol L-1,将重量为1.2g的AgGaTiNb2O9粉末放入500mL罗丹明B水溶液中形成悬浮体系,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射罗丹明B溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中,同样采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。结果表明以AgGaTiNb2O9催化材料作为催化剂在可见光照射下,随着照射时间的延长,罗丹明B的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,在可见光照射下,随着照射时间的延长,罗丹明B的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经325分钟,罗丹明B的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达97.13%,CO2的产率为0.5432mmol,罗丹明B浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.692min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.945min-1。详尽的数据见表4。
表4.采用AgGaTiNb2O9催化材料为催化剂降解罗丹明B所获得的相关数据
4.2采用Ag/AgGaO2粉末降解废水中的罗丹明B(C28H31ClN2O3)
将Ag/AgGaO2粉末1.2g,放入500mL罗丹明B水溶液中形成悬浮体系,罗丹明B水溶液的初始浓度为0.04mmol L-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射罗丹明B溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以Ag/AgGaO2粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,罗丹明B的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经560分钟,罗丹明B的去除率为25.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.39%,CO2的产量为0.1042mmol,罗丹明B浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00054min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00042min-1。详尽的数据见表8。
表8.以Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解罗丹明B所获得的相关数据
4.3分别利用AgGaTiNb2O9和Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解罗丹明B的性能对比
在初始实验条件一致前提下,利用Ag/AgGaO2粉末在可见光照射下降解废水中的罗丹明B,在可见光照射560分钟时,罗丹明B还未被完全降解,此时,罗丹明B的去除率为25.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.39%,CO2的产量为0.1042mmol。而在相同的初始实验条件下,利用AgGaTiNb2O9粉末在可见光照射下降解废水中的罗丹明B,在可见光照射325分钟时,罗丹明B就已经被完全降解,即此时的罗丹明B的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达97.13%,且CO2的产率比使用Ag/AgGaO2粉末时高,为0.5432mmol,明显可以看出AgGaTiNb2O9粉末对罗丹明B的降解速率比Ag/AgGaO2粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用AgGaTiNb2O9降解罗丹明B的效率要远远高于Ag/AgGaO2。关于罗丹明B浓度与时间的一级动力学常数,以及总有机碳与时间的一级动力学常数,AgGaTiNb2O9粉末均比Ag/AgGaO2粉末高得多,说明利用AgGaTiNb2O9粉末降解罗丹明B的降解速率要大大快于Ag/AgGaO2粉末。
综上所述,对于可见光照射下降解去除水体中有机污染物罗丹明B,AgGaTiNb2O9粉末比Ag/AgGaO2粉末光催化性能好、降解速率快、降解效率高。
5.采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂光催化降解废水中甲基蓝(C37H27Na2O9S3)
将AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末1.2g,放入500mL甲基蓝水溶液中形成悬浮体系,甲基蓝水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基蓝溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,甲基蓝的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)的浓度也逐渐降低,经310分钟,甲基蓝的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,CO2的产率为0.7392mmol,甲基蓝浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00847min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01129min-1。详尽的数据见表9。
表9.以AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末为催化剂降解甲基蓝所获得的相关数据
分别利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂和Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解甲基蓝的性能对比
在初始实验条件一致前提下,利用Ag/AgGaO2粉末在可见光照射下下降解废水中的甲基蓝,在可见光照射310分钟时,甲基蓝的去除率为12.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达5.18%;在可见光照射550分钟时,甲基蓝还未被完全降解,此时,甲基蓝的去除率为25.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达14.54%,CO2的产率为0.1011mmol。而在相同的初始实验条件下,利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末在可见光照射下降解废水中的甲基蓝,在可见光照射310分钟时,甲基蓝就已经被完全降解,即此时的甲基蓝的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,且CO2的产率比使用Ag/AgGaO2粉末时高,为0.7392mmol,明显可以看出-凹凸棒土复合催化剂粉末对甲基蓝的降解速率比InTaO4粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂降解甲基蓝的效率要远远高于Ag/AgGaO2。关于甲基蓝浓度与时间的一级动力学常数,以及总有机碳与时间的一级动力学常数,AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末均比Ag/AgGaO2粉末高得多,说明利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末降解甲基蓝的降解速率要大大快于Ag/AgGaO2粉末。详尽的数据见表10。
表10.以Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解甲基蓝所获得的相关数据
6.采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂降解废水中的十溴二苯醚(C12Br10O)
将AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末1.2g,放入500mL十溴二苯醚水溶液中形成悬浮体系,十溴二苯醚水溶液的初始浓度为0.04mmol L-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射十溴二苯醚溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6EinsteinL-1s-1。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,十溴二苯醚的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经300分钟,十溴二苯醚的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,CO2的产量为0.2394mmol,十溴二苯醚浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00940min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.1187min-1。详尽的数据见表11。
表11.以AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末为催化剂降解十溴二苯醚所获得的相关数据
分别利用AgGaTiNb2O9和Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解十溴二苯醚的性能对比
在初始实验条件一致前提下,利用Ag/AgGaO2粉末在可见光照射下降解废水中的十溴二苯醚,在可见光照射300分钟时,十溴二苯醚的去除率为13.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达9.42%;在可见光照射480分钟时,十溴二苯醚还未被完全降解,此时,十溴二苯醚的去除率为26.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.19%,CO2的产率为0.0423mmol。而在相同的初始实验条件下,利用AgGaTiNb2O9粉末在可见光照射下降解废水中的十溴二苯醚,在可见光照射300分钟时,十溴二苯醚就已经被完全降解,即此时的十溴二苯醚的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,且CO2的产率比使用Ag/AgGaO2粉末时高,为0.2394mmol,明显可以看出AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末对十溴二苯醚的降解速率比Sm2InNbO7粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂降解十溴二苯醚的效率要远远高于Ag/AgGaO2。关于十溴二苯醚浓度与时间的一级动力学常数,以及总有机碳与时间的一级动力学常数,AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末均比Ag/AgGaO2粉末高得多,说明利AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末降解十溴二苯醚的降解速率要大大快于Ag/AgGaO2粉末。详尽的数据见表12。表12.以Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解十溴二苯醚所获得的相关数据
7.采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂降解废水中的罗丹明B(C28H31ClN2O3)
采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂材料作为催化剂,选择水中典型难降解的罗丹明B作为目标降解物。罗丹明B水溶液的初始浓度为0.04mmol L-1,将重量为1.2g的AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末放入500mL罗丹明B水溶液中形成悬浮体系,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射罗丹明B溶液,配上截止滤光片(λ>420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中,同样采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。结果表明以AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合材料作为催化剂在可见光照射下,随着照射时间的延长,罗丹明B的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,在可见光照射经285分钟后,罗丹明B蓝的去除率达到100%;在可见光照射经325分钟后,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,CO2的产量为0.5593mmol,罗丹明B浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00825min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01174min-1。详尽的数据见表11。
表11采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂降解罗丹明B所获得的相关数据
分别利用AgGaTiNb2O9和Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解罗丹明B的性能对比
在初始实验条件一致前提下,利用Ag/AgGaO2粉末在可见光照射下降解废水中的罗丹明B,在可见光照射560分钟时,罗丹明B还未被完全降解,此时,罗丹明B的去除率为25.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.39%,CO2的产量为0.1042mmol。而在相同的初始实验条件下,利用AgGaTiNb2O9粉末在可见光照射下降解废水中的罗丹明B,在可见光照射325分钟时,罗丹明B就已经被完全降解,即此时的罗丹明B的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,且CO2的产率比使用Ag/AgGaO2粉末时高,为0.5593mmol,明显可以看出AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末对罗丹明B的降解速率比Ag/AgGaO2粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂降解罗丹明B的效率要远远高于Ag/AgGaO2。关于罗丹明B浓度与时间的一级动力学常数,以及总有机碳与时间的一级动力学常数,AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末均比Ag/AgGaO2粉末高得多,说明利用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土复合催化剂粉末降解罗丹明B的降解速率要大大快于Ag/AgGaO2粉末。
表8.以Ag/AgGaO2粉末为催化剂降解罗丹明B所获得的相关数据
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种用于降解废水中有机污染物的粉末催化材料的制备方法,其特征在于,所述粉末催化材料为AgGaTiNb2O9粉末催化材料,所述制备方法为柠檬酸络合法,包括如下步骤:
1)首先将Nb2O5加入足量的浓氢氟酸中,80℃水浴加热40-50h至完全溶解,再向其中加入足量草酸铵溶液,并将过量的氨水溶液滴入溶液中,不断搅拌,得到白色的Nb2O5·xH2O沉淀;沉淀物在75-85℃老化12h后,先用氨水、再用蒸馏水洗涤数次以去除其中的氟离子;然后按照柠檬酸:Nb=3:1的比例,将柠檬酸溶液加入沉淀物中,于60℃下水浴搅拌至形成澄清透明的Nb-柠檬酸盐溶液待用;
2)按照摩尔比为Ag:Ga:Ti:Nb=1:1:1:2,准确称取AgNO3、Ga(NO3)3、TiCl4、NbCl5,按照n(EDTA):n(金属离子)=1.1:1将EDTA-氨水溶液加入其中,不断搅拌至透明,用氨水调节溶液pH值至为7;将此混合溶液逐滴加入至步骤1)中制备的Nb-柠檬酸盐溶液中,用氨水和稀硝酸调节pH值至7-8,最后加入乙二醇,得到澄清透明且具有高稳定性的前驱体溶液;
3)将步骤2)制备的前驱体溶液在60℃水浴中搅拌5h,然后在80℃下蒸干水分,得到黏稠状胶体;将胶体于160℃下干燥5h,于马弗炉中350℃恒温3h燃烧分解有机物,然后升温至700-1000℃,煅烧3h,冷却得到粉体,即得AgGaTiNb2O9粉末催化材料。
2.一种用于降解废水中有机污染物的粉末催化材料的制备方法,所述粉末催化材料为AgGaTiNb2O9粉末催化材料,其特征在于,所述制备方法为硬脂酸合成法,所述硬脂酸合成法包括如下步骤:
1)用电子天平称取1.25gAgNO3溶于适量去离子水中,得到硝酸银溶液,用电子天平称取3.07gGa(NO3)3溶于适量去离子水中,得到硝酸镓溶液;
2)用电子天平称取两份10g的硬脂酸分别加入步骤1)制备的两种溶液中,在恒温磁力搅拌器上加热并搅拌使其溶解得到澄清的溶液;
3)将步骤2)制备的两种澄清液迅速混合,并同时加入3.9g的Nb2O5,于120℃下搅拌2h;
4)将步骤3)制备得到的溶液保持温度在110-120℃,然后加入2.5g钛酸四丁酯,混合搅拌1h形成溶胶,自然冷却得到凝胶,将凝胶在电炉上加热燃烧后得到无定形粉末前驱体;
5)将步骤4)中的无定形粉末前驱体在800℃下焙烧6h,冷却研磨得到AgGaTiNb2O9粉末催化材料。
3.一种用于降解废水中有机污染物的粉末催化材料的制备方法,所述粉末催化材料为AgGaTiNb2O9粉末催化材料,其特征在于,所述制备方法为固相烧结法,所述固相烧结法包括如下步骤:
1)选取纯度为99.99%的Ag2O、Ga2O3、TiO2和Nb2O5为原材料,将摩尔比Ag2O:Ga2O3:TiO2:Nb2O5=1:2:2:1的Ag2O、Ga2O3、TiO2和Nb2O5粉末充分混合;
2)然后在球磨机中研磨,粉末的粒径达到1.6-3.2微米,在170-230℃烘干2.5-3.5小时,压制成片,放入高温烧结炉中烧制;
3)将炉温升至370-430℃,保温3-5小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.4-2.8微米;
4)将步骤3)中得到的粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,最高炉温为720-780℃,保温7-9小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.2-2.5微米;
5)将步骤4)中得到的粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温,保温后冷却,取出粉末压片粉碎至粒径为0.15-0.30微米,最终制得AgGaTiNb2O9粉末光催化材料。
4.根据权利要求3所述的一种粉末催化材料的制备方法,其特征在于,步骤5)中所述升温条件为a.由20℃升温至400℃,升温时间为40-50min;b.在400℃保温90-150min;c.由400℃升温至750℃,升温时间为35-45min;d.在750℃保温480-600min;e.由750℃升温至1800℃,升温时间为110-130min;f.在1800℃保温2200-2800min,炉冷。
5.一种用于降解废水中有机污染物的复合多孔纳米催化材料的制备方法,其特征在于,所述复合多孔纳米催化材料为AgGaTiNb2O9-凹凸棒土催化材料,所述制备方法为溶胶-凝胶法,所述制备方法包括如下步骤:
1)取20mL无水乙醇于烧杯中,加入10mL钛酸丁酯,用冰乙酸调节其pH值至2,搅拌30min得A溶液;
2)用电子天平准确称取0.011gAgNO3、0.027gGa(NO3)3、0.017gNbCl5放进研钵中研磨,使其充分混匀,然后将其转移至另一烧杯中,并向其中加入10mL无水乙醇、5.3mL去离子水,使其溶解,搅拌均匀后得B溶液;
3)将B溶液缓慢滴加到A溶液中,滴加完成后继续搅拌10min;再称取2.35g凹凸棒土,加入上述混合液中,继续搅拌直至形成凝胶;
4)静置12h后,于100℃下烘干,于500℃下焙烧2h,制得AgGaTiNb2O9-凹凸棒土催化材料。
6.一种由权利要求1-4任一项所述的粉末催化材料的制备方法制备出的AgGaTiNb2O9粉末催化材料在废水中的应用,其特征在于,在密闭不透光的环境下,利用氙灯作为光源,并同时采用磁力搅拌和充氧曝的方式,采用AgGaTiNb2O9粉末为催化剂,降解废水中的有机污染物;所述有机污染物为十溴二苯醚、甲基兰和罗丹明B。
7.一种由权利要求5所述的复合多孔纳米催化材料的制备方法制备出的AgGaTiNb2O9-凹凸棒土催化材料在废水中的应用,其特征在于,在密闭不透光的环境下,利用氙灯作为光源,并同时采用磁力搅拌和充氧曝气的方式,采用AgGaTiNb2O9-凹凸棒土粉末为催化剂,降解废水中的有机污染物。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述有机污染物为十溴二苯醚、甲基蓝和罗丹明B。
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铌酸盐光催化剂的研究进展;房晶瑞等;《2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集》;20161228;第1卷;第25页第2.3节 * |
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