CN107754781B - 一种粉末催化材料、含硅锌分子筛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、含硅锌分子筛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ZnNdErTa2O9粉末催化材料,采用微波辅助加热‑微乳液法、静电纺丝法或固相烧结法制备,用于废水中有机污染物的降解催化;以及含硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料为ZnNdErTa2O9‑硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料的制备方法,用于废水中有机污染物的降解催化;本发明催化剂具有良好的催化性能;提高了催化剂的比表面积,促进了有机污染物和拥有大比表面积催化剂的充分接触,进而促进了光源和有机污染物的充分接触,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;本发明使有机污染物的去除率达到100%,并且有机物中总有机碳的去除率达到100%。
Description
技术领域
本发明涉及两种催化材料的制备方法及应用,分别是粉末催化材料ZnNdErTa2O9和ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料。
背景技术
随着人类社会的不断进步,环境污染问题也变得尤为突出,环境问题是制约人类社会可持续发展的重要因素。当今社会的发展需要依靠工业的发展,但是它们在发展的过程中肆意的排放含有诸多污染物质的工业废水,会给地球带来严重的环境污染问题,防止环境污染,保护地球环境,维持生态平衡,已成为当今社会发展的一项重要举措,也是每个公民应尽的义务。环境污染给人类带来的灾害毋庸置疑,如何保护环境,实现社会的可持续发展,是地球上每一个人必须认真考虑的问题,我们有责任共同努力为子孙后代创造一个美好的环境。工业排放废水中含有的很多染料或有机化合物,它们不易被分解,而且使用一般的物理或化学方法很难除去,除此之外本身具有毒性或易转化为有毒物质,因此,利用半导体氧化物作为光催化剂对其进行催化降解引起了人们越来越多的关注。如何开发新型纳米结构的催化材料,更有效地利用可见光进行光降解则是研究的热点之一。光催化是光化学与催化化学结合的交叉领域,其基本原理是用半导体作光催化材料,或与某种氧化剂结合,在特定波长的光辐射下在半导体表面产生氧化性极强的空穴或反应性极高的羟基自由基。这些氧化活性离子与有机污染物、病毒、细菌发生强烈的破坏作用,导致有机污染物被降解,病毒与细菌被致灭,从而达到降解环境污染物净化环境和抑菌杀菌的作用。
1972年Fujishima发现了TiO2半导体电极在紫外光照射下具有光解水的作用,由此引发了半导体光催化的研究热潮,之后光催化技术也被应用到环境领域中。TiO2以其优异的抗化学性能、光腐蚀性能和价格低廉等优点成为过去几十年来最重要的光催化剂,国内外报道的光催化研究中,大多数都是以TiO2或者改性TiO2作为光催化剂,然而受TiO2自身的限制,近年来,科学家们将研究重点放在了研发新型的光催化剂。光催化剂可以分为非金属光催化剂,金属氧化物光催化剂、金属盐类光催化剂以及硫化物光催化剂,其中金属氧化物光催化剂近年来发展迅速,成为科学家们的研究热点。2009年,J.S.Wang等研究了可见光响应氮、硫共掺杂SrTiO3光催化剂,结果表明共掺杂了之后产生新的带隙拓展了可见光的吸收;J.P.Zou等研究了Zn掺杂的BaTiO3,有效的改善了纯BaTiO3的光催化产氢活性;YingxuanLi等介绍了一种新系列的钙钛矿型层状光催化剂,在含有甲醇等牺牲剂的溶液和紫外光照射的条件下,均表现出较好的光催化活性;2001年邹志刚课题组研究了NiOy/In0.9Ni0.1TaO4光催化剂,该催化剂具有良好的光催化分解水产氢能力和光催化活性。然而,在众多光催化分解水系统中,提高太阳能的利用率和转化率,提高光催化活性仍是一项巨大的挑战。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种粉末催化材料、含硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料的制备及应用。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
粉末催化材料为ZnNdErTa2O9粉末催化材料,所述制备方法为微波辅助加热-微乳液法,包括如下步骤:
1)称取1.2gZn(NO3)2〃6H2O溶解于20mL去离子水中搅拌,使之溶解,配成溶液;
2)量取35mL正己烷、10mL乙醇、5mL表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚AEO9,加入步骤1)所述溶液中,充分搅拌30min;
3)称取1.32g Nd(NO3)3、1.77g Er(NO3)3〃5H2O和2.02g NaTaO3,分别溶解于20mL去离子水中搅拌,使之溶解,配成溶液;
4)在不断搅拌的条件下,同时将步骤3)中所述溶液逐滴加入步骤2)所述溶液中,滴加完毕后,用5%的氨水调节pH=10,继续反应30min;
5)将步骤4)中所述反应30min后的溶液放入微波炉中老化一段时间,反应条件为800W功率下微波加热10min;
6)用布氏漏斗抽滤步骤5)中所述老化好的反应液,并依次用无水乙醇及浓度为2.1mol/L的(NH4)2CO3水溶液反复洗涤至pH=8.5,得到前驱体粉末;
7)所述前驱体粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温条件如下:
a.由20℃升温至400℃,升温时间为40±10min;
b.在400℃保温40±10min;
c.由400℃升温至730℃,升温时间为40±10min;
d.在730℃保温480-800min,炉冷;
8)取出步骤7)所述粉末压片,粉碎至粒径为0.06-0.31微米,制备成纯净的ZnNdErTa2O9粉末催化材料。
制备方法或为静电纺丝法,包括如下步骤:
1)按摩尔比Zn(NO3)2〃6H2O:Nd(NO3)3:Er(NO3)3〃5H2O:TaCl5=1:1:1:2,分别称取适量的Zn(NO3)2〃6H2O、Nd(NO3)3、Er(NO3)3〃5H2O、TaCl5,加入柠檬酸作为络合剂,溶于2mL去离子水中,磁力搅拌1h至金属盐溶解完全,制成金属盐溶液;
2)称取0.5gPVP,加入到5mL的无水乙醇中,磁力搅拌3h,制成PVP/无水乙醇溶液;
3)量取5mL步骤1)所述金属盐溶液,将其加入到步骤2)所述PVP/无水乙醇溶液中,在室温下磁力搅拌至透明,即得到前驱体溶液;
4)将步骤3)所述前驱体溶液装入针头直径为0.5mm的5mL注射器中,控制流速为0.5mL/h;前驱丝接收装置为旋转基板接收,喷头到接收基板的间距为12-15cm,高压直流电源电压设置为12-15KV,环境温度为25℃,环境湿度为25%-30%,在高压电场力的作用下喷射得到ZnNdErTa2O9纳米前驱丝,将其在高温管式的空气气氛中以5℃/min的升温速率在800℃下进行煅烧,得到ZnNdErTa2O9催化材料;
5)将步骤4)所述ZnNdErTa2O9催化材料粉碎至粒径为0.06-0.31微米,制备成ZnNdErTa2O9粉末催化材料。
制备方法或为固相烧结法,包括如下步骤:
1)以纯度为99.99%的ZnO、Nd2O3、Er2O3和Ta2O5为原材料,将Zn、Nd、Er和Ta以所述分子式的原子比充分混合,即将摩尔比ZnO:Nd2O3:Er2O3:Ta2O5=2:1:1:2的ZnO、Nd2O3、Er2O3和Ta2O5粉末充分混合,然后在球磨机中研磨,粉末的粒径达到1.5-3.0微米;
2)在200±30℃烘干3±0.5小时,压制成片,放入高温烧结炉中烧制;将炉温升至400±30℃,保温4±1小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.5-2.5微米,再将这些粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,最高炉温为750±30℃,保温8±1小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.0-2.0微米,再将这些粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温条件如下:
a.由20℃升温至400℃,升温时间为45±5min;
b.在400℃保温120±30min;
c.由400℃升温至750℃,升温时间为40±5min;
d.在750℃保温480-600min;
e.由750℃升温至1500℃,升温时间为80±10min;
f.在1500±50℃保温2500±300min;
g.由1500℃升温至2000±50℃,升温时间为60±5min;
h.在2000±50℃保温3000±300min炉冷;
3)粉末压片经最高温度2000±50℃保温3000±300min后随炉冷却,取出粉末压片粉碎至粒径为0.12-0.28微米,最终制备成功纯净的ZnNdErTa2O9粉末光催化材料。
含硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料为ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料,所述制备方法包括如下步骤:
1)在碱性条件下,按摩尔组成比SiO2:ZnO=1:9向硅酸盐溶液中加入氧化锌,同时加入络合剂柠檬酸溶液,进行水热反应,反应5h后,经过滤干燥、粉碎、筛选,得到硅锌分子筛;
2)称取一定量的ZnNdErTa2O9催化剂,溶于去离子水中得到浊液,再称取步骤1)所述硅锌分子筛加入其中,搅拌溶解2h后,得到均匀的浆液;
3)然后将步骤2)所述浆液置于120℃的烘箱中烘焙干燥10h,自然冷却至室温,即制得ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料。
粉末催化材料为ZnNdErTa2O9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气的方式,以ZnNdErTa2O9粉末催化材料为催化剂,降解废水中的有机污染物。
本发明的有益效果为:本发明通过多种制备方法制备了粉末催化材料ZnNdErTa2O9,该类催化剂具有良好的催化性能,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,进而提高了催化剂的效率。
进一步,有机污染物为亚甲基兰、甲基橙和马拉硫磷。
上述进一步的有益效果为:ZnNdErTa2O9催化剂对于0.04mmolL-1的亚甲基兰溶液、甲基橙溶液以及马拉硫磷溶液进行降解330min以上,其去除率均达到了100%,去除效果是Zn/NaTaO3催化剂的7倍以上,去除效果得到很大改善。
含硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料为ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料,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ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛粉末为催化剂,降解废水中的有机污染物。
本发明的有益效果为:复合材料ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛的结合也提高了催化剂的比表面积,进而促进了有机污染物和拥有大比表面积催化剂的的充分接触,进而促进了光源和有机污染物的充分接触,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。
进一步,有机污染物为亚甲基兰、甲基橙和马拉硫磷。
上述进一步的有益效果为:ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂分别降解0.04mmolL-1的亚甲基兰溶液、甲基橙溶液以及马拉硫磷溶液,降解时间330min以上时其去除率均达到了100%,去除效果是Zn/NaTaO3催化剂的7倍以上,去除效果得到很大改善。
附图说明
图1为本发明固相烧结法所制备的ZnNdErTa2O9粉末催化材料透射电镜图谱。
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。
实施例1
微波辅助加热-微乳液法制备ZnNdErTa2O9粉末催化材料
1)称取1.2gZn(NO3)2〃6H2O溶解于20mL去离子水中搅拌,使之溶解,配成溶液;
2)量取35mL正己烷、10mL乙醇、5mL表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚AEO9,加入步骤1)所述溶液中,充分搅拌30min;
3)称取1.32gNd(NO3)3、1.77gEr(NO3)3〃5H2O和2.02gNaTaO3,分别溶解于20mL去离子水中搅拌,使之溶解,配成溶液;
4)在不断搅拌的条件下,同时将步骤3)中所述溶液逐滴加入步骤2)所述溶液中,滴加完毕后,用5%的氨水调节pH=10,继续反应30min;
5)将步骤4)中所述反应30min后的溶液放入微波炉中老化一段时间,反应条件为800W功率下微波加热10min;
6)用布氏漏斗抽滤步骤5)中所述老化好的反应液,并依次用无水乙醇及浓度为2.1mol/L的(NH4)2CO3水溶液反复洗涤至pH=8.5,得到前驱体粉末;
7)所述前驱体粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温条件如下:
a.由20℃升温至400℃,升温时间为40±10min;
b.在400℃保温40±10min;
c.由400℃升温至730℃,升温时间为40±10min;
d.在730℃保温480-800min,炉冷;
8)取出步骤7)所述粉末压片,粉碎至粒径为0.06-0.31微米,制备成纯净的ZnNdErTa2O9粉末催化材料。
实施例2
静电纺丝法制备ZnNdErTa2O9粉末催化材料
1)按摩尔比Zn(NO3)2〃6H2O:Nd(NO3)3:Er(NO3)3〃5H2O:TaCl5=1:1:1:2,分别称取适量的Zn(NO3)2〃6H2O、Nd(NO3)3、Er(NO3)3〃5H2O、TaCl5,加入柠檬酸作为络合剂,溶于2mL去离子水中,磁力搅拌1h至金属盐溶解完全,制成金属盐溶液;
2)称取0.5gPVP,加入到5mL的无水乙醇中,磁力搅拌3h,制成PVP/无水乙醇溶液;
3)量取5mL步骤1)所述金属盐溶液,将其加入到步骤2)所述PVP/无水乙醇溶液中,在室温下磁力搅拌至透明,即得到前驱体溶液;
4)将步骤3)所述前驱体溶液装入针头直径为0.5mm的5mL注射器中,控制流速为0.5mL/h;前驱丝接收装置为旋转基板接收,喷头到接收基板的间距为12-15cm,高压直流电源电压设置为12-15KV,环境温度为25℃,环境湿度为25%-30%,在高压电场力的作用下喷射得到ZnNdErTa2O9纳米前驱丝,将其在高温管式的空气气氛中以5℃/min的升温速率在800℃下进行煅烧,得到ZnNdErTa2O9催化材料;
5)将步骤4)所述ZnNdErTa2O9催化材料粉碎至粒径为0.06-0.31微米,制备成ZnNdErTa2O9粉末催化材料。
实施例3
固相烧结法制备ZnNdErTa2O9粉末催化材料
1)以纯度为99.99%的ZnO、Nd2O3、Er2O3和Ta2O5为原材料,将Zn、Nd、Er和Ta以所述分子式的原子比充分混合,即将摩尔比ZnO:Nd2O3:Er2O3:Ta2O5=2:1:1:2的ZnO、Nd2O3、Er2O3和Ta2O5粉末充分混合,然后在球磨机中研磨,粉末的粒径达到1.5-3.0微米;
2)在200±30℃烘干3±0.5小时,压制成片,放入高温烧结炉中烧制;将炉温升至400±30℃,保温4±1小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.5-2.5微米,再将这些粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,最高炉温为750±30℃,保温8±1小时后随炉冷却,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.0-2.0微米,再将这些粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,升温条件如下:
a.由20℃升温至400℃,升温时间为45±5min;
b.在400℃保温120±30min;
c.由400℃升温至750℃,升温时间为40±5min;
d.在750℃保温480-600min;
e.由750℃升温至1500℃,升温时间为80±10min;
f.在1500±50℃保温2500±300min;
g.由1500℃升温至2000±50℃,升温时间为60±5min;
h.在2000±50℃保温3000±300min炉冷;
3)粉末压片经最高温度2000±50℃保温3000±300min后随炉冷却,取出粉末压片粉碎至粒径为0.12-0.28微米,最终制备成功纯净的ZnNdErTa2O9粉末光催化材料。
性能表征
对固相烧结法所制备的ZnNdErTa2O9粉末催化材料进行性能表征,通过X射线衍射图谱及X射线光电子能谱结果得知ZnNdErTa2O9为单相,无任何杂质相。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147nm。X射线荧光光谱仪测定ZnNdErTa2O9的平均原子摩尔百分比为Zn:Nd:Er:Ta:O=1.00:0.99:0.98:1.99:7.99。用Rietveld软件对ZnNdErTa2O9的X射线衍射结果进行结构精修,结构精修因子RP值为RP=8.02%。ZnNdErTa2O9的空间群为P21/C,结构为单斜晶体结构,晶胞参数为β=106.225°,α=γ=90°。ZnNdErTa2O9各衍射峰的晶面指数(hkl)被标定。ZnNdErTa2O9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ZnNdErTa2O9在光的照射下产生的特征吸收边进行测定,获得ZnNdErTa2O9的带隙宽度为2.17eV。采用X射线光电子能谱仪测定ZnNdErTa2O9的X射线光电子能谱(见表1),由表1可知Zn、Nd、Er、Ta、O的化合价分别为+2、+3、+3、+5、-2。同时获得ZnNdErTa2O9的能带结构,导带由Zn的4s轨道、Nd的4f轨道、Er的4f轨道和Ta的5d轨道构成,价带由O的2p轨道构成。
表1.ZnNdErTa2O9的X射线光电子能谱内各元素的结合能峰值(eV)
实施例4
ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料的制备
1)在碱性条件下,按摩尔组成比SiO2:ZnO=5:45向硅酸盐溶液中加入氧化锌,同时加入络合剂柠檬酸溶液,进行水热反应,反应5h后,经过滤干燥、粉碎、筛选,得到硅锌分子筛;
2)称取一定量的ZnNdErTa2O9催化剂,溶于去离子水中得到浊液,再称取步骤1)所述硅锌分子筛加入其中,搅拌溶解2h后,得到均匀的浆液;
3)然后将步骤2)所述浆液置于120℃的烘箱中烘焙干燥10h,自然冷却至室温,即制得ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料。
实施例5
采用ZnNdErTa2O9粉末催化剂光催化降解废水中的亚甲基兰(C16H18ClN3S)
将ZnNdErTa2O9粉末1.2g,放入500mL亚甲基兰水溶液中形成悬浮体系,亚甲基兰水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射亚甲基兰溶液,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ZnNdErTa2O9粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,亚甲基兰的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经325分钟,亚甲基兰的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.66%,CO2的产量为0.3085mmol,亚甲基兰浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00643min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00875min-1。详尽的数据见表2。
表2.以ZnNdErTa2O9粉末为催化剂降解亚甲基兰所获得的相关数据
对比例1
将Zn/NaTaO3粉末1.2g,放入500mL亚甲基兰水溶液中形成悬浮体系,亚甲基兰水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射亚甲基兰溶液,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Zn/NaTaO3粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,亚甲基兰的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)的浓度也逐渐降低,经325分钟,亚甲基兰的去除率为12.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达8.33%,CO2的产率为0.0232mmol;经可见光照射560分钟后,亚甲基兰的去除率为26.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.94%,CO2的产率为0.0601mmol,亚甲基兰浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.000535min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.000403min-1。详尽的数据见表3。
表3.以Zn/NaTaO3粉末为催化剂降解亚甲基兰所获得的相关数据
由表2和表3可知,在初始实验条件一致前提下,利用Zn/NaTaO3粉末在可见光照射下下降解废水中的亚甲基兰,在可见光照射325分钟时,亚甲基兰的去除率为12.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达8.33%;在可见光照射560分钟时,亚甲基兰还未被完全降解,此时,亚甲基兰的去除率为26.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.94%,CO2的产率为0.0601mmol。而在相同的初始实验条件下,利用ZnNdErTa2O9粉末在可见光照射下降解废水中的亚甲基兰,在可见光照射325分钟时,亚甲基兰就已经被完全降解,即此时的亚甲基兰的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.66%,且CO2的产率比使用Zn/NaTaO3粉末时高,为0.3085mmol,明显可以看出ZnNdErTa2O9粉末对亚甲基兰的降解速率比Zn/NaTaO3粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用ZnNdErTa2O9降解亚甲基兰的效率要远远高于Zn/NaTaO3。关于亚甲基兰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,ZnNdErTa2O9粉末均比Zn/NaTaO3粉末高得多,说明利用ZnNdErTa2O9粉末降解亚甲基兰的降解速率要大大快于Zn/NaTaO3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亚甲基兰,ZnNdErTa2O9粉末比Zn/NaTaO3粉末光催化性能好、降解速率快、降解效率高。
实施例6
采用ZnNdErTa2O9粉末降解废水中的甲基橙(C14H14N3SO3Na)
将ZnNdErTa2O9粉末1.2g,放入500mL甲基橙水溶液中形成悬浮体系,甲基橙水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基橙溶液,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ZnNdErTa2O9粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,甲基橙的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经315分钟,甲基橙的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.21%,CO2的产量为0.2685mmol,甲基橙浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00651min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00854min-1。详尽的数据见表4。
表4.以ZnNdErTa2O9粉末为催化剂降解甲基橙所获得的相关数据
对比例2
采用Zn/NaTaO3粉末降解废水中的甲基橙(C14H14N3SO3Na)
将Zn/NaTaO3粉末1.2g,放入500mL甲基橙水溶液中形成悬浮体系,甲基橙水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基橙溶液,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Zn/NaTaO3粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,甲基橙的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)的浓度也逐渐降低,经315分钟,甲基橙的去除率为14.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达8.43%,CO2的产率为0.0205mmol;经可见光照射560分钟后,甲基橙的去除率为28.25%总有机碳TOC的去除率(矿化率)达18.89%,CO2的产率为0.0501mmol,甲基橙浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00061min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.000382min-1。详尽的数据见表5。
表5.以Zn/NaTaO3粉末为催化剂降解甲基橙所获得的相关数据
由表4和表5可知,在初始实验条件一致前提下,利用Zn/NaTaO3粉末在可见光照射下降解废水中的甲基橙,在可见光照射315分钟时,甲基橙的去除率为14.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达8.43%;在可见光照射560分钟时,甲基橙还未被完全降解,此时,甲基橙的去除率为28.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达18.89%,CO2的产率为0.0501mmol。而在相同的初始实验条件下,利用ZnNdErTa2O9粉末在可见光照射下降解废水中的甲基橙,在可见光照315分钟时,甲基橙就已经被完全降解,即此时的甲基橙的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.21%,且CO2的产率比使用Zn/NaTaO3粉末时高,为0.2685mmol,明显可以看出ZnNdErTa2O9粉末对甲基橙的降解速率比Zn/NaTaO3粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用ZnNdErTa2O9降解甲基橙的效率要远远高于Zn/NaTaO3。关于甲基橙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,ZnNdErTa2O9粉末均比Zn/NaTaO3粉末高得多,说明利用ZnNdErTa2O9粉末降解甲基橙的降解速率要大大快于Zn/NaTaO3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橙,ZnNdErTa2O9粉末比Zn/NaTaO3粉末光催化性能好、降解速率快、降解效率高。
实施例7
采用ZnNdErTa2O9粉末催化材料降解废水中的马拉硫磷(C10H19O6PS2)
采用ZnNdErTa2O9粉末催化材料作为催化剂,选择水中典型难降解的马拉硫磷作为目标降解物。马拉硫磷水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,将重量为1.2g的ZnNdErTa2O9催化材料粉末放入500mL马拉硫磷水溶液中形成悬浮体系,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射马拉硫磷溶液,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,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ZnNdErTa2O9粉末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,马拉硫磷的浓度逐渐降低,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,马拉硫磷的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经330分钟,马拉硫磷的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.7%,CO2的产率为0.1924mmol,马拉硫磷浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.0065min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.00866min-1。详尽的数据见表6。
表6.采用ZnNdErTa2O9粉末催化材料为催化剂降解马拉硫磷所获得的相关数据
对比例3
采用Zn/NaTaO3粉末降解废水中的马拉硫磷(C10H19O6PS2)
将Zn/NaTaO3粉末1.2g,放入500mL马拉硫磷水溶液中形成悬浮体系,马拉硫磷水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射马拉硫磷溶液,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Zn/NaTaO3粉末为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,马拉硫磷的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经330分钟,马拉硫磷的去除率为14.5%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达9.775%,CO2的产量为0.0164mmol,经540分钟,马拉硫磷的去除率为25.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达20.875%,CO2的产量为0.0385mmol,马拉硫磷浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.000537min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.000416min-1。详尽的数据见表7。
表7.以Zn/NaTaO3粉末为催化剂降解马拉硫磷所获得的相关数据
由表6和表7可知,在初始实验条件一致前提下,利用Zn/NaTaO3粉末在可见光照射下降解废水中的马拉硫磷,在可见光照射330分钟时,马拉硫磷的去除率为14.5%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达9.775%;在可见光照射540分钟时,马拉硫磷还未被完全降解,此时,马拉硫磷的去除率为25.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达20.875%,CO2的产量为0.0385mmol而在相同的初始实验条件下,利用ZnNdErTa2O9粉末在可见光照射下降解废水中的马拉硫磷,在可见光照射330分钟时,马拉硫磷就已经被完全降解,即此时的马拉硫磷的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达96.7%,且CO2的产率比使用Zn/NaTaO3粉末时高,为0.1924mmol,明显可以看出ZnNdErTa2O9粉末对马拉硫磷的降解速率比Zn/NaTaO3粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用ZnNdErTa2O9降解马拉硫磷的效率要远远高于Zn/NaTaO3。关于马拉硫磷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,ZnNdErTa2O9粉末均比Zn/NaTaO3粉末高得多,说明利用ZnNdErTa2O9粉末降解马拉硫磷的降解速率要大大快于Zn/NaTaO3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马拉硫磷,ZnNdErTa2O9粉末比Zn/NaTaO3粉末光催化性能好、降解速率快、降解效率高。
实施例8
采用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解废水中的亚甲基兰(C16H18ClN3S)
将ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂1.2g,放入500mL亚甲基兰水溶液中形成悬浮体系,亚甲基兰水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射亚甲基兰溶液,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ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂为催化剂,在可见光照射下,随着照射时间的延长,亚甲基兰的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)的浓度也逐渐降低,经325分钟,亚甲基兰的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,CO2的产率为0.3192mmol,亚甲基兰浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00837min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.0103min-1。详尽的数据见表8。
表8.以ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂粉末为催化剂降解亚甲基兰所获得的相关数据
对比例4
在初始实验条件一致前提下,利用Zn/NaTaO3粉末在可见光照射下降解废水中的亚甲基兰,在可见光照射325分钟时,亚甲基兰的去除率为12.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达8.33%;在可见光照射560分钟时,亚甲基兰还未被完全降解,此时,亚甲基兰的去除率为26.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达19.94%,CO2的产率为0.0601mmol。而在相同的初始实验条件下,利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂在可见光照射下降解废水中的亚甲基兰,在可见光照射325分钟时,亚甲基兰就已经被完全降解,即此时的亚甲基兰的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,且CO2的产率比使用Zn/NaTaO3粉末时高,为0.3192mmol,明显可以看出ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂对亚甲基兰的降解速率比Zn/NaTaO3粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解亚甲基兰的效率要远远高于Zn/NaTaO3。关于亚甲基兰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,ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂均比Zn/NaTaO3粉末高得多,说明利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解亚甲基兰的降解速率要大大快于Zn/NaTaO3粉末。详尽的数据见表9。
表9.以Zn/NaTaO3粉末为催化剂降解甲基橙所获得的相关数据
实施例9
采用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解废水中的甲基橙(C14H14N3SO3Na)
将ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂1.2g,放入500mL甲基橙水溶液中形成悬浮体系,甲基橙水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基橙溶液,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ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛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,甲基橙的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,经315分钟,甲基橙的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,CO2的产量为0.2793mmol,甲基橙浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00834min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01064min-1。详尽的数据见表10。
表10.以ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂粉末为催化剂降解甲基橙所获得的相关数据
对比例5
在初始实验条件一致前提下,利用Zn/NaTaO3粉末在可见光照射下降解废水中的甲基橙,在可见光照射315分钟时,甲基橙的去除率为14.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达8.43%;在可见光照射560分钟时,甲基橙还未被完全降解,此时,甲基橙的去除率为28.25%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达18.89%,CO2的产率为0.0501mmol。而在相同的初始实验条件下,利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂在可见光照射下降解废水中的甲基橙,在可见光照315分钟时,甲基橙就已经被完全降解,即此时的甲基橙的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,且CO2的产率比使用Zn/NaTaO3粉末时高,为0.2793mmol,明显可以看出ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂对甲基橙的降解速率比Zn/NaTaO3粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解甲基橙的效率要远远高于Zn/NaTaO3。关于甲基橙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,ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂均比Zn/NaTaO3粉末高得多,说明利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解甲基橙的降解速率要大大快于Zn/NaTaO3粉末。详尽的数据见表11。
表11.以Zn/NaTaO3粉末为催化剂降解甲基橙所获得的相关数据
实施例10
采用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解废水中的马拉硫磷(C10H19O6PS2)
采用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂材料作为催化剂,选择水中典型难降解的马拉硫磷作为目标降解物。马拉硫磷水溶液的初始浓度为0.04mmolL-1,将重量为1.2g的ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂粉末放入500mL马拉硫磷水溶液中形成悬浮体系,初始pH值为7。选取500W的氙灯照射马拉硫磷溶液,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,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ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛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,马拉硫磷的浓度逐渐降低,总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低,在可见光照射经330分钟后,马拉硫磷蓝的去除率达到100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,CO2的产量为0.1992mmol,马拉硫磷浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.00809min-1,总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01076min-1。详尽的数据见表12。
表12采用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解马拉硫磷所获得的相关数据
对比例6
在初始实验条件一致前提下,利用Zn/NaTaO3粉末在可见光照射下降解废水中的马拉硫磷,在可见光照射330分钟时,马拉硫磷的去除率为14.5%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达9.775%;在可见光照射540分钟时,马拉硫磷还未被完全降解,此时,马拉硫磷的去除率为25.75%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达20.875%,CO2的产量为0.0385mmol而在相同的初始实验条件下,利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂在可见光照射下降解废水中的马拉硫磷,在可见光照射330分钟时,马拉硫磷就已经被完全降解,即此时的马拉硫磷的去除率为100%,总有机碳TOC的去除率(矿化率)达100%,且CO2的产率比使用Zn/NaTaO3粉末时高,为0.1992mmol,明显可以看出ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂对马拉硫磷的降解速率比Zn/NaTaO3粉末快得多;同时,经历相同时间的可见光照射后,利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解马拉硫磷的效率要远远高于Zn/NaTaO3。关于马拉硫磷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,ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂均比Zn/NaTaO3粉末高得多,说明利用ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合催化剂降解马拉硫磷的降解速率要大大快于Zn/NaTaO3粉末。详尽的数据见表13。
表13.以Zn/NaTaO3粉末为催化剂降解马拉硫磷所获得的相关数据
Claims (4)
1.一种ZnNdErTa2O9粉末催化材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法为微波辅助加热-微乳液法或静电纺丝法或固相烧结法;其中,
所述微波辅助加热-微乳液法包括如下步骤:
1)按摩尔比Zn(NO3)2·6H2O:Nd(NO3)3:Er(NO3)3·5H2O:NaTaO3=1:1:1:2,分别称取适量的Zn(NO3)2·6H2O、Nd(NO3)3、Er(NO3)3·5H2O、NaTaO3;
2)取Zn(NO3)2·6H2O溶解于去离子水中搅拌,使之溶解,配成溶液,取正己烷、乙醇、表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚AEO9,加入所述溶液中充分搅拌;
3)取Nd(NO3)3、Er(NO3)3·5H2O和NaTaO3,分别溶解于去离子水中搅拌,使之溶解,配成溶液;
4)在不断搅拌的条件下,同时将步骤3)中溶液逐滴加入步骤2)得到的溶液中,滴加完毕后,用5%的氨水调节pH=10,继续反应;
5)将步骤4)中所述反应后的溶液放入微波炉中老化;
6)用布氏漏斗抽滤步骤5)中老化好的反应液,并依次用无水乙醇及(NH4)2CO3水溶液反复洗涤至pH=8.5,得到前驱体粉末;
7)所述前驱体粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,所述高温烧结炉升温条件如下:a.由20℃升温至400℃,升温时间为40±10min;b.在400℃保温40±10min;c.由400℃升温至730℃,升温时间为40±10min;d.在730℃保温480-800min,炉冷;
8)取出步骤7)得到的粉末压片,粉碎至粒径为0.06-0.31微米,制备成纯净的ZnNdErTa2O9粉末催化材料;
所述静电纺丝法包括如下步骤:
1)按摩尔比Zn(NO3)2·6H2O:Nd(NO3)3:Er(NO3)3·5H2O:TaCl5=1:1:1:2,分别称取适量的Zn(NO3)2·6H2O、Nd(NO3)3、Er(NO3)3·5H2O、TaCl5,加入柠檬酸作为络合剂,溶于去离子水中,磁力搅拌至金属盐溶解完全,制成金属盐溶液;
2)称取PVP加入到无水乙醇中,磁力搅拌,制成PVP/无水乙醇溶液;
3)量取步骤1)所述金属盐溶液,将其加入到步骤2)所述PVP/无水乙醇溶液中,在室温下磁力搅拌至透明,即得到前驱体溶液;
4)将步骤3)所述前驱体溶液装入针头直径为0.5mm的注射器中,在高压电场力的作用下喷射得到ZnNdErTa2O9纳米前驱丝,将其在高温管式的空气气氛中煅烧得到ZnNdErTa2O9催化材料;
5)将步骤4)所述ZnNdErTa2O9催化材料粉碎至粒径为0.06-0.31微米,制备成ZnNdErTa2O9粉末催化材料;
所述固相烧结法包括如下步骤:
1)将ZnO、Nd2O3、Er2O3和Ta2O5粉末按摩尔比ZnO:Nd2O3:Er2O3:Ta2O5=2:1:1:2充分混合,研磨至粒径达到1.5-3.0微米;
2)烘干,压制成片,放入高温烧结炉中烧制;取出粉末压片粉碎至粒径为1.5-2.5微米,再次压制成片,放入高温烧结炉中烧结,将粉末压片取出粉碎至粒径为1.0-2.0微米,再将这些粉末压制成片,放入高温烧结炉中烧结,所述高温烧结炉升温条件如下:a.由20℃升温至400℃,升温时间为45±5min;b.在400℃保温120±30min;c.由400℃升温至750℃,升温时间为40±5min;d.在750℃保温480-600min;e.由750℃升温至1500℃,升温时间为80±10min;f.在1500±50℃保温2500±300min;g.由1500℃升温至2000±50℃,升温时间为60±5min;h.在2000±50℃保温3000±300min,炉冷;
3)冷却后取出粉末压片粉碎至粒径为0.12-0.28微米,制备成纯净的ZnNdErTa2O9粉末催化材料。
2.一种ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)在碱性条件下,按摩尔组成比SiO2:ZnO=1:9向硅酸盐溶液中加入氧化锌,同时加入络合剂柠檬酸溶液,进行水热反应,经过滤干燥、粉碎、筛选,得到硅锌分子筛;
2)称取一定量如权利要求1所述制备方法制得的ZnNdErTa2O9粉末催化材料,溶于去离子水中得到浊液,再称取步骤1)所述硅锌分子筛加入其中,搅拌后,得到均匀的浆液;
3)然后将步骤2)所述浆液置于烘箱中烘焙干燥,自然冷却至室温,即制得ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料。
3.一种如权利要求1所述制备方法制得的ZnNdErTa2O9粉末催化材料降解废水中的有机污染物的方法,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,以ZnNdErTa2O9粉末催化材料为催化剂,降解废水中的亚甲基蓝、甲基橙和马拉硫磷。
4.一种如权利要求2所述制备方法制得的ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料降解废水中的有机污染物的方法,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ZnNdErTa2O9-硅锌分子筛复合多孔纳米催化材料为催化剂,降解废水中的亚甲基蓝、甲基橙和马拉硫磷。
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金属非金属掺杂改性钽酸盐光催化剂研究;蔡河山;《河南师范大学学报》;20130315;第41卷(第2期);第101-103页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN107754781A (zh) | 2018-03-06 |
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