CN108355657A - 一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,包括以下步骤:S1.将聚环氧乙烷‑b‑聚环氧丙烷‑b‑聚环氧乙烷三嵌段共聚物溶于水中,加入六水合氯化铝和金属物种,在35℃水浴锅中搅拌0.5‑1h;S2.然后加入硅源,继续搅拌至出现沉淀;S3.将S2中的混合溶液装入高压反应釜中,100℃水热陈化24小时后,过滤得固体,再洗涤烘干;S4.将步骤S3中制得的固体焙烧,去除模板剂,获得金属掺杂介孔氧化硅材料。本发明提供了一种成本低廉、工艺简单、环保低碳且省时节能的原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属物种掺杂介孔氧化硅的方法。
Description
技术领域
本发明涉及在弱酸性体系下,采用原位一步法直接合成具有大吸附容量与高催化活性的金属掺杂的介孔氧化硅,具体涉及一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法。
背景技术
以芬顿(Fenton)催化技术为代表的高级氧化技术(AOPs)具有环境友好、设备简单和反应快速等特点而受到重视。单一的Fenton催化剂存在催化活性低、pH适用范围窄、H2O2利用率低、易产生铁污泥等不足,从而阻碍了其在工业上的实际应用。因此,将催化活性物种负载在具有吸附性能的载体上,则能够有效地对目标污染物进行吸附,然后彻底降解,避免二次污染。具有高吸附活性的催化剂其吸附能力的增强有利于提升材料催化位点的活性。
介孔氧化硅材料具有比表面积高、孔容大、孔径可控可调、水热稳定性好以及无毒害、易制备等特点,在酶固定、药物控释、生物传感、水净化等方面的应用中有巨大的潜力。常用的负载型催化剂合成的方法主要是后改性的方式,通过初湿浸渍将活性物种引入载体,使金属物种保留在介孔材料当中。但后改性的方式容易造成氧化物的颗粒聚集,导致介孔孔道的堵塞、材料比表面积和孔体积急剧下降。此外,后改性需要经过二次焙烧以将金属前驱体物种转化成催化物种,耗时耗能。因此,如果可以直接在介孔氧化硅合成的过程中原位引入活性物种,通过共缩合或共沉淀的方式,将金属原子掺杂进入介孔氧化硅结构中,则更加省时节能、经济环保。
传统的介孔氧化硅合成一般在强碱(如M41s系列)或强酸(如SBA系列)的反应体系中完成。但在强碱介质中,杂原子物种沉淀速度过快、不易被掺杂进介孔氧化硅骨架,易堆积在介孔外表面或孔道中,导致堵孔。在强酸条件下,无机杂原子往往掺杂量较少或者无法掺杂。因此,如何采取有效的方法来调控介孔氧化硅制备时的酸碱性、使硅源和金属杂原子的水解/缩合速度相匹配、且不影响介孔结构的形成成为原位合成金属物种负载介孔氧化硅的技术瓶颈。
经对现有技术的文献检索,围绕铝盐水解产生的弱酸介质下原位合成金属掺杂介孔氧化硅材料,未发现国内有专利报道,国际上也鲜有提及含有铝盐的弱酸介质下原位合成铁和铜掺杂介孔氧化硅的报导,我们则首创通过铝盐自水解营造弱酸性环境(pH =3.4),控制硅源水解缩合的速度,同时引入金属(铁和铜)物种,使硅源和铁源或铜源发生共缩合,有效的将金属原子掺杂进介孔氧化硅中,合成出具有规整介孔结构、大比表面积、高吸附容量、良好水热稳定性、且具有高效催化活性的金属铁和铜掺杂的介孔氧化硅材料。该原位制备方法操作简便快捷、经济环保、省时节能,所得材料可用于高效吸附及催化降解有机染料废水。
发明内容
要解决的技术问题:本发明的目的是提供一种成本低廉、工艺简单、环保低碳且省时节能的原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属物种(铁和铜)掺杂介孔氧化硅的方法。
技术方案:一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,包括以下步骤:
S1. 将聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)溶于水中,加入六水合氯化铝和金属物种,在35℃水浴锅中搅拌0.5-1h;
S2. 然后加入硅源,继续搅拌至出现沉淀;
S3. 将S2中的混合溶液装入高压反应釜中,100℃水热陈化24小时后,过滤得固体,再洗涤烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体焙烧,去除模板剂,获得金属掺杂介孔氧化硅材料。
进一步的,所述步骤S1中,金属物种为铁源或铜源中的任一一种。
进一步的,所述铁源为无水氯化铁,铜源为三水合硝酸铜。
进一步的,所述步骤S2中硅源为正硅酸四乙酯。
进一步的,所述步骤S3中洗涤烘干方法为用去离子水洗净,反复2~3次,放入40℃烘箱中进行烘干。
进一步的,所述步骤S4中焙烧过程为在马弗炉以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,最后自然降温;或为在管式炉内以5℃/min的速率升温至550℃,保温120min,最后自然降温。
进一步的,所述聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、水、六水合氯化铝、铁源和硅源的质量比为2:75:0.96:0.032-0.324:4.16。
进一步的,所述聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、水、六水合氯化铝、铜源和硅源的质量比为2:75:2.41:0.48-4.83:4.16。
有益效果:本发明的的金属掺杂介孔氧化硅具有以下优点:
(1)本发明采用简单的化学工艺原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝金属掺杂介孔氧化硅,反应无需复杂的设备,所需化学原料种类少,价格便宜,操作简便,运用铝盐替代传统合成步骤中的强酸,安全环保、可循环使用且对环境无污染,实验效果好;
(2)本发明通过铝盐水解产生的弱酸性环境体系替代传统使用的强酸(HCl),以P123作为模板,同时引入金属(铁或铜)物种和硅源,通过共沉积、共沉淀的方式,将金属物种掺杂进入介孔氧化硅中,煅烧去除模板剂并转换金属物种,使金属物种(铁或铜)以氧化物形式负载在介孔氧化硅的骨架以及孔壁中,从而获得铁(或铜)掺杂介孔氧化硅材料。应用该材料对高浓度有机染料废水亚甲基蓝(120~180 mg/L)进行净化处理时,去除效率可达100%。并且,该种材料还具有良好的pH使用范围(pH = 3~11)和非常优异的循环稳定性。
附图说明
图1实施例1-4和对比例1合成的mSiO2吸附剂及FFeCx催化剂的N2吸脱附曲线(a)和孔径分布图(b);
图2实施例1-4和对比例1合成的mSiO2吸附剂及FFeCx催化剂对亚甲基蓝的吸附等温线对比图;
图3实施例1-4和对比例1合成的mSiO2吸附剂及FFeCx催化剂对120mg/L的亚甲基蓝吸附降解曲线;
图4实施例5-8合成的FCuNx吸附/催化剂的N2吸脱附曲线(a)和孔径分布图(b);
图5实施例5-8合成的FCuNx吸附/催化剂对180mg/L的亚甲基蓝的吸附降解曲线图;
图6为实施例8合成的FCuN1.0样品对180mg/L亚甲基蓝在不同温度下的吸附降解曲线;
图7实施例8合成的FCuN1.0吸附/催化剂对180mg/L的亚甲基蓝的吸附降解循环效率图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明,但并不限制本发明的内容。
实施例1
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入0.96g六水合氯化铝和0.0324g无水三氯化铁,将混合液置于35℃水浴锅中0.5h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在马弗炉内先以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,自然降温后取出得FFeC0.01铁掺杂介孔氧化硅材料。
分别称取25mg预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.01),加入装有浓度为20、40、60、80、100、120、150、180和210 mg/L亚甲基蓝溶液的离心管中,在旋转培养仪上旋转24小时后,离心并取滤液用紫外分光光度计测定吸附后溶液的吸光度,根据初始溶液吸光度计算吸附量,做出吸附等温曲线。得到图2中的一条吸附等温线。
称取0.15g预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.01),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为120 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附6小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL至离心管后,将混合溶液离心分离,抽取上清液稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图3中的一条吸附降解曲线。
图1为实施例1-4和对比例1合成的五种样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例1合成的FFeC0.01,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,且孔道结构规则有序。
图2为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对亚甲基蓝的吸附等温曲线,从图中可以看到实施例1合成的FFeC0.01样品的饱和吸附量为94 mg/g。
图3为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对120 mg/L 亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例1合成的FFeC0.01样品对亚甲基蓝具有良好的催化作用,对120mg/L亚甲基蓝60h内的总去除率为98%。
实施例2
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入0.96g六水合氯化铝和0.0649g无水三氯化铁,将混合液置于35℃水浴锅中1h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复3次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在马弗炉内先以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,自然降温后取出得FFeC0.02铁掺杂介孔氧化硅材料。
分别称取25mg预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.02),加入装有浓度为20、40、60、80、100、120、150、180和210 mg/L亚甲基蓝溶液的离心管中,在旋转培养仪上旋转24小时后,离心并取滤液用紫外分光光度计测定吸附后溶液的吸光度,根据初始溶液吸光度计算吸附量,做出吸附等温曲线。得到图2中的一条吸附等温线。
称取0.15g预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.02),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为120 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附6小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL至离心管后,将混合溶液离心分离,抽取上清液稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图3中的一条吸附降解曲线。
图1为实施例1-4和对比例1合成的五种样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例2合成的FFeC0.02,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,且孔道结构规则有序。
图2为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对亚甲基蓝的吸附等温曲线,从图中可以看到实施例2合成的FFeC0.02样品的饱和吸附量为84 mg/g。
图5为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对120 mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例2合成的FFeC0.02样品对亚甲基蓝具有优异的催化作用,对120mg/L亚甲基蓝60h内的总去除率为99%。
实施例3
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入0.96g六水合氯化铝和0.1622g无水三氯化铁,将混合液置于35℃水浴锅中1h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复3次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在马弗炉内先以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,自然降温后取出得FFeC0.05铁掺杂介孔氧化硅材料。
分别称取25mg预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.05),加入装有浓度为20、40、60、80、100、120、150、180和210 mg/L亚甲基蓝溶液的离心管中,在旋转培养仪上旋转24小时后,离心并取滤液用紫外分光光度计测定吸附后溶液的吸光度,根据初始溶液吸光度计算吸附量,做出吸附等温曲线。得到图3中的一条吸附等温线。
称取0.15g预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.05),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为120 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附6小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL至离心管后,将混合溶液离心分离,抽取上清液稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图4中的一条吸附降解曲线。
图1为实施例1-4和对比例1合成的五种样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例3合成的FFeC0.05,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,且孔道结构规整有序。
图2为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对亚甲基蓝的吸附等温曲线,从图中可以看到实施例3合成的FFeC0.05样品的饱和吸附量为77 mg/g。
图3为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对120 mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例3合成的FFeC0.05样品对亚甲基蓝具有吸附以及催化作用,对120mg/L亚甲基蓝60h内的总去除率为100%。
实施例4
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入0.96g六水合氯化铝和0.3244g无水三氯化铁,将混合液置于35℃水浴锅中0.5h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在马弗炉内先以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,自然降温后取出得未FFeC0.1铁掺杂介孔氧化硅材料。
分别称取25mg预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.1),加入装有浓度为20、40、60、80、100、120、150、180和210 mg/L亚甲基蓝溶液的离心管中,在旋转培养仪上旋转24小时后,离心并取滤液用紫外分光光度计测定吸附后溶液的吸光度,根据初始溶液吸光度计算吸附量,做出吸附等温曲线。得到图3中的一条吸附等温线。
称取0.15g预先制得的铁掺杂介孔氧化硅材料(FFeC0.1),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为120 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附6小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL至离心管后,将混合溶液离心分离,抽取上清液稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图2中的一条吸附降解曲线。
图1为实施例1-4和对比例1合成的五种样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例4合成的FFeC0.1,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,但对N2吸附量下降,介孔孔道规整度受到一定影响。
图2为五个实施例合成的五种样品对亚甲基蓝的吸附等温曲线,从图中可以看到实施例4合成的FFeC0.1样品的饱和吸附量为71 mg/g。
图3为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对120 mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例4合成的FFeC0.1样品对亚甲基蓝具有吸附以及催化作用,吸附容量和催化速率相比较其它样品偏低。引入大量铁源一方面造成介孔孔道塌陷,比表面积下降,饱和吸附容量降低,另一方面Fe2O3晶体颗粒负载在颗粒表面,催化效果差于负载在介孔孔道内部。
对比例1
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入0.96g六水合氯化铝,将混合液置于35℃水浴锅中0.5h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在马弗炉内先以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,自然降温后取出得未掺杂介孔氧化硅材料。
分别称取25mg预先制得的介孔氧化硅材料(mSiO2),加入装有浓度为20、40、60、80、100、120、150、180和210 mg/L的亚甲基蓝溶液的离心管中,在旋转培养仪旋转24小时后,离心并取滤液用紫外分光光度计测定吸附后溶液的吸光度,根据初始溶液吸光度计算吸附量,做出吸附等温曲线。得到图2中的一条吸附等温线。
称取0.15g预先制得的介孔氧化硅材料(mSiO2),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为120 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附6小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL至离心管后,将混合溶液离心分离,抽取上清液稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图3中的一条吸附降解曲线。
图1为实施例1-4和对比例1合成的五种样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到对比例1合成的mSiO2,其等温线为IV型,滞后环介于H1和H2之间,孔道长程有序性较强酸介质合成的SiO2略有下降。
图2为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对亚甲基蓝的吸附等温曲线,从图中可以看到对比例1合成的mSiO2样品的饱和吸附量为104 mg/g,比掺杂金属物种后的吸附量略大。这是由于合成时没有金属物种干扰,对介孔孔道形成不构成影响所致。
图3为实施例1-4和对比例1合成的五种样品对120 mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到对比例1合成的mSiO2样品对亚甲基蓝仅具有吸附作用无催化效果。
实施例5
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入2.41g六水合氯化铝和0.48g三水合硝酸铜,将混合液置于35℃水浴锅中1h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在管式炉内以5℃/分钟的速率升温至550℃,保温120分钟;自然降温后取出得FCuN0.1铜掺杂介孔氧化硅材料。
称取0.15g预先制得的铜掺杂介孔氧化硅材料(FCuN0.1),放入250 mL锥形瓶中,加入150 mL浓度为180 mg/L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附24小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL进行抽滤,得到上清液,稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图5中的一条吸附降解曲线。
图4为实施例5-8合成的FCuNx样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例5合成的FCuN0.1,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,且孔道结构规则有序。
图5为实施例5-8四个样品对180 mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例5合成的FCuN0.1样品对亚甲基蓝的吸附容量为85mg/g,60h内对180mg/L亚甲基蓝溶液去除率达62%。
实施例6
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入2.41g六水合氯化铝和0.96g三水合硝酸铜,将混合液置于35℃水浴锅中1h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在管式炉内以5℃/分钟的速率升温至550℃,保温120分钟;自然降温后取出得FCuN0.2铜掺杂介孔氧化硅材料。
称取0.15g预先制得的铜掺杂介孔氧化硅材料(FCuN0.2),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为120 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附24小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL进行抽滤,得到上清液,稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图5中的一条吸附降解曲线。
图4为实施例5-8合成的四个FCuNx样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例6合成的FCuN0.2,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,且孔道结构规则有序。
图5为实施例5-8四个样品对180mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例6合成的FCuN0.2样品对亚甲基蓝具有吸附以及催化作用,吸附容量高于FCuN0.1,为91mg/g;催化效率也优异于FCuN0.1,60h内对180mg/L亚甲基蓝溶液去除率达66%。
实施例7
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入2.41g六水合氯化铝和2.42g三水合硝酸铜,将混合液置于35℃水浴锅中1h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在管式炉内以5℃/分钟的速率升温至550℃,保温120分钟;自然降温后取出得FCuN0.5铜掺杂介孔氧化硅材料。
称取0.15g预先制得的铜掺杂介孔氧化硅材料(FCuN0.5),放入250mL锥形瓶中,加入浓度为180 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附24小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL进行抽滤,得到上清液,稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图5中的一条吸附降解曲线。
图4为实施例5-8合成的四个FCuNx样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例7合成的FCuN0.5,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,且孔道结构更加规整有序。
图5为实施例5-8四个样品对180 mg/L亚甲基蓝的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例7合成的FCuN0.5样品对亚甲基蓝具有优异的吸附以及催化作用,吸附容量在实施案例中最佳达99 mg/g,60h内对180mg/L亚甲基蓝的去除率达75%。
实施例8
S1.将2.0g三嵌段共聚物P123作为模板剂溶于75g的水中,搅拌至完全溶解,加入2.41g六水合氯化铝和4.83g三水合硝酸铜,将混合液置于35℃水浴锅中1h;
S2.以正硅酸四乙酯作为硅源,加入量为4.16g,在35℃水浴条件下搅拌24h;
S3. 倒入高压反应釜中100℃水热陈化24h,过滤,用去离子水洗净,反复2次,放入40℃烘箱中进行烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体在管式炉内以5℃/分钟的速率升温至550℃,保温120分钟;自然降温后取出得FCuN1.0铜掺杂介孔氧化硅材料。
称取0.15g预先制得的铜掺杂介孔氧化硅材料(FCuN1.0),放入250 mL锥形瓶中,加入浓度为180 mg·L-1的MB溶液,置于恒温磁力搅拌器上,室温下吸附24小时,达到吸附平衡后,加入30mL H2O2,进一步催化降解该MB溶液。每次取样2~3mL进行抽滤,得到上清液,稀释后测量吸光度,根据初始溶液的吸光度进行计算,做出吸附降解曲线。得到图5中的一条吸附降解曲线。
图4为实施例5-8合成的四个FCuNx样品的氮气脱吸附和孔径分布曲线,从图中可以看到实施例5合成的FCuN1.0,其等温线为IV型,H1型滞后环,具有介孔结构,但对N2吸附量下降,介孔孔道规整度受到一定影响。
图5为实施例5-8四个样品对180mg/L亚甲基蓝在25 ºC时的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例8合成的FCuN1.0样品对亚甲基蓝具有吸附以及催化作用,吸附容量为79mg/g,催化效率是实施例5-8四个样品中最快的,60h内对180mg/L亚甲基蓝的去除率达到92%。
图6为实施例8合成的FCuN1.0样品对180mg/L亚甲基蓝在不同温度下的吸附降解曲线,从图中可以看到实施例8合成的FCuN1.0样品对亚甲基蓝的去除效果随温度的增加而增强,当溶液温度为35 ºC时,FCuN1.0样品对180mg/L亚甲基蓝在36h内的去除率达到100%。
图7为实施例8合成的FCuN1.0样品对180mg/L亚甲基蓝在25 ºC时的循环吸附降解实验,从图中可以看到实施例8合成的FCuN1.0样品对亚甲基蓝的去除率在循环使用中表现出优良的性能,循环使用5次后总去除率依然保留在84%。
Claims (8)
1.一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1. 将聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物溶于水中,加入六水合氯化铝和金属物种,在35℃水浴锅中搅拌0.5-1h;
S2. 然后加入硅源,继续搅拌至出现沉淀;
S3. 将S2中的混合溶液装入高压反应釜中,100℃水热陈化24小时后,过滤得固体,再洗涤烘干;
S4. 将步骤S3中制得的固体焙烧,去除模板剂,获得金属掺杂介孔氧化硅材料。
2.根据权利要求1所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤S1中,金属物种为铁源或铜源中的任一一种。
3.根据权利要求2所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述铁源为无水氯化铁,铜源为三水合硝酸铜。
4.根据权利要求1所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤S2中硅源为正硅酸四乙酯。
5.根据权利要求1所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤S3中洗涤烘干方法为用去离子水洗净,反复2~3次,放入40℃烘箱中进行烘干。
6.根据权利要求1所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤S4中焙烧过程为在马弗炉以6℃/min的速率升温至200℃,保温30min,再以2℃/min的速率升温至550℃,保温300min,最后自然降温;或为在管式炉内以5℃/min的速率升温至550℃,保温120min,最后自然降温。
7.根据权利要求2所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、水、六水合氯化铝、铁源和硅源的质量比为2:75:0.96:0.032-0.324:4.16。
8.根据权利要求2所述的一种原位合成具有高效催化降解亚甲基蓝的金属掺杂介孔氧化硅的方法,其特征在于:所述聚环氧乙烷-b-聚环氧丙烷-b-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、水、六水合氯化铝、铜源和硅源的质量比为2:75:2.41:0.48-4.83:4.16。
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