CN108373299A - 一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，该方法包括如下步骤：（1）废弃玻璃筛选分离；（2）糙面玻璃晶体制备；（3）纳米光催化剂溶胶制备；（4）糙面玻璃晶体‑纳米光催化剂复合材料制备；（5）含玻璃晶体‑纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆制备；（6）水工建筑物表面喷涂；（7）喷浆液固化。利用玻璃废弃物所制备的糙面玻璃晶体‑纳米光催化材料复合体的表面喷浆可在水工建筑物表面形成光催化反应层，利用玻璃晶体的强折光性和玻璃糙面负载纳米光催化剂的紧密性保证光催化降解污染物的高效性、稳定性和持久性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，属于净污材料制备技术领域。
背景技术
随着经济社会的不断发展，多种有毒有害污染物如农药、抗生素、内分泌干扰物经地表径流、污水排放等途径进入水体，水污染问题日渐凸显,成为制约社会和经济发展的“瓶颈”；为改善水环境质量和维持水生态系统健康，人们已对水体中各类污染物的高效降解开展了大量研究工作。其中，光催化降解技术因其具有反应过程快速高效、能耗低、无二次污染等优点在水体污染治理和防控方面具有良好的应用前景。
目前，人们已将光催化降解技术成功应用于污染水体原位修复中；由于大多数河道多采用混凝土坡式护岸，这种硬质化和光面化水工建筑具有较好的工程结构安全性，但对水体污染物净化去除效率低下，不利于水生态系统的健康；应用光催化技术改造传统硬质河道边坡、护岸等水工建筑物建筑材料，提高水工建筑物表面的净污性能成为近年来研究热点；如专利ZL201710057850.9研发了一种可见光响应的光催化生态护岸砖，其上层光催化材料层负载光催化材料氮化碳，可被可见光触发进行光催化反应，有效降解了水体中有机污染物；再如专利ZL201510635760.4研发了一种多层渗流式与生态净化耦合型护岸，利用负载纳米光催化二氧化钛（TiO2）的中空多孔式光催化透水墙对水体中有机污染物进行高效、快速降解去除；尽管上述技术发挥了光催化技术在水污染治理方面的优势，但存在光催化生态砖制作程序复杂、建筑结构型式复杂、实施难度大、破坏原有水工建筑物结构、难大范围推广应用、建造维护费用高等问题。
近年来，在建筑物表面喷涂含光催化材料的浆液因其具有实施简单、无需破坏原有建筑物结构等优点在建筑物外墙、路面等陆域系统中应用，用来净化空气，降低空气中温室气体和有毒有害污染物的浓度；如专利ZL200810163778.9提出一种光催化降解氮氧化物NOx用的混合物水泥砂浆，通过在水泥砂浆中直接掺杂纳米二氧化钛（TiO2）粉体，用来降解汽车尾气中NOx，但这种在水泥砂浆中直接掺杂纳米材料的方法存在光催化效率低，光催化材料用量大且易内部封存、易流失脱落等问题；另外，由于各类水工建筑物型式各异、接触水体环境复杂、纳米颗粒在水工建筑材料中难掺杂、难涂覆等问题，光催化降解在水环境治理中的应用大大受限；因此，亟需开发一种光催化净污效率高、实施简单、造价低廉且无需破坏原有建筑物、可大规模推广应用的水工建筑物表面改造方法，以提高对水体污染物的降解去除，提升水体净化能力，改善水环境质量。
发明内容
本发明提出的是一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其目的旨在提供一种光催化净污效率高、实施简单、造价低廉且无需破坏原有建筑物、可大规模推广应用的水工建筑物表面改造方法。
本发明的技术解决方案：一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）废弃玻璃筛选分离；
（2）糙面玻璃晶体制备；
（3）纳米光催化剂溶胶制备；
（4）糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料制备；
（5）含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆制备；
（6）水工建筑物表面喷涂；
（7）喷浆液固化。
本发明的优点：
（1）水泥砂浆中掺杂玻璃晶体可提高喷浆涂层的透光性和光催化效率；
（2）玻璃表面碱化粗糙处理提高了纳米光催化材料的附着强度，减少纳米光催化材料在砂浆制备过程中和喷浆涂层固化后的脱落失活；
（3）借助自然光辐射，可将水体中难降解有毒有害污染物彻底降解去除，节能环保，无二次污染；
（4）对废弃玻璃进行资源回收再利用，实现资源再利用，喷浆制备工艺简单、造价低廉、可在水工建筑物表面净污中大规模推广使用。
具体实施方式
一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）废弃玻璃筛选分离，制得玻璃晶体；
（2）糙面玻璃晶体制备；
（3）纳米光催化剂溶胶制备；
（4）糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料制备；
（5）含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆制备；
（6）水工建筑物表面喷涂；
（7）喷浆液固化。
所述步骤（1）废弃玻璃筛选分离：将收集的废弃玻璃敲碎后放入粉粹机内粉粹，将粉粹后的玻璃用筛分分析法分离出不同粒径的玻璃晶体；喷浆制备中所用的玻璃晶体优选粒径为1.18mm -5mm，将筛选出的玻璃晶体用自来水清洗，自然干燥后备用。
所述步骤（2）糙面玻璃晶体制备：将步骤（1）中准备好的玻璃晶体在NaOH溶液中进行浸泡处理，NaOH溶液浓度优选为1.0mol/L -1.5mol/L，浸泡时间优选5-12h，玻璃晶体表面经NaOH碱化处理后形成粗糙表面和微孔，有助于后续步骤中纳米光催化材料的附着，将碱化处理后的玻璃晶体用自来水清洗，直至淋洗液的pH在7-8之间，即获得糙面玻璃晶体。
所述步骤（3）纳米光催化剂溶胶制备：纳米光催化剂优选锐钛矿型纳米TiO2，制备方法优选溶胶-凝胶法，具体为在磁力搅拌器转速为1000 rpm搅拌条件下搅拌，将前驱体钛酸正丁酯的异丙醇溶液以120滴/分钟的速度滴加到pH为2.5的稀硝酸水溶液中，硝酸与钛酸正丁酯的摩尔比分别为76：1.42，75℃恒温搅拌（300 rpm），回流24小时后用旋转蒸发去除醇类，最终得到纳米TiO2溶胶。
所述步骤（4）糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料制备：制备方法优选浸渍-烧结法，具体为将步骤（2）中制作的糙面玻璃晶体在步骤（3）中获得的纳米光催化剂溶胶中浸泡30min-50min后取出在100℃条件下焙烘直至干燥，重复上述浸泡-焙烘步骤3次后，将负载纳米光催化剂的糙面玻璃晶体在300℃-500℃条件下烧结2h-3h，冷却后即可获得糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料。
所述步骤（5）含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆制备：为尽量减少纳米光催化剂在喷浆制备过程中的脱落，先将水、水泥、界面粘结剂搅拌均匀后再加入糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料，水：水泥：界面粘结剂：糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的混合比例优选为（0.8-1.2）：（1.4-1.0）：（0.5-1.2）：（0.8-1.25）重量比，更优选为重量比0.8：1.0：0.5：1.2；所述界面粘结剂的选择适用于水泥混凝土界面处理的I型粘结剂，以增加水泥喷浆与水工建筑物混凝土界面的粘结强度。
所述步骤（6）水工建筑物表面喷涂：首先对水工建筑物表面进行喷水预处理，以冲去表面浮灰并保证喷涂面湿润，然后将步骤（5）制备的含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆加入喷浆装置的送料箱，喷浆装置优选为外墙喷涂机、水泥喷浆机或同类产品，浆液喷涂时喷涂机工作压力优选6-8MPa，喷嘴口径优选0.6-1.0cm，涂层厚度优选0.6-1.2cm，涂层覆盖范围位于河道水体最高和最低水位时河道边坡接触水体的范围。
所述步骤（7）喷浆液固化：为保证喷浆涂层与建筑物材料的粘结强度，提高喷浆涂层的稳定性和持久性，在步骤（6）结束8h和16h后，在喷浆液表面喷水保湿，待涂层完全固化干燥后即制作完成。
本发明利用玻璃废弃物所制备的糙面玻璃晶体-纳米光催化材料复合体的表面喷浆可在水工建筑物表面形成光催化反应层，利用玻璃晶体的强折光性和玻璃糙面负载纳米光催化剂的紧密性保证光催化降解污染物的高效性、稳定性和持久性。
喷涂浆液在固化后形成含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的光催化喷浆涂层表面，在自然光照下，喷浆涂层中的玻璃晶体可利用其透光性和光折射性增强玻璃糙面负载的纳米光催化剂的光催化反应性能，进而将水体中污染物高效降解去除，提高了光催化降解的高效性、稳定性和持久性。
本发明以经碱化处理的糙面玻璃晶体为纳米光催化颗粒负载材料，在负载纳米光催化颗粒后作为细骨料制备水泥砂浆，通过表面喷涂在水工建筑物表面形成光催化反应层，利用掺杂玻璃晶体的强折光性和玻璃糙面负载纳米光催化颗粒的紧密性，在自然光触发下可利用光催化反应将水体中污染物降解去除，提高光催化降解的高效性、稳定性和持久性。
以下通过具体实施例详细说明发明的实施步骤，目的在于使本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明；应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，具体包括如下步骤：
（1）废弃玻璃准备；
（2）糙面玻璃晶体制备；
（3）纳米TiO2溶胶制备；
（4）糙面玻璃晶体-纳米TiO2复合材料制备；
（5）含玻璃晶体-纳米TiO2复合材料的水泥喷浆制备；
（6）水工建筑物表面喷涂；
（7）喷浆液固化。
所述步骤（1）废弃玻璃准备：将收集的废弃玻璃敲碎后再放入粉粹机内粉粹，将粉粹后的玻璃用筛分分析法分离出不同粒径的玻璃，喷浆制备中所用的玻璃粒径为1.18-5mm，将筛选出的玻璃用自来水清洗，自然干燥后形成玻璃晶体备用。
所述步骤（2）糙面玻璃晶体制备：将步骤（1）中准备好的玻璃晶体在1.0 mol/L 的NaOH溶液中浸泡12h，将碱化处理后的玻璃晶体用自来水清洗，直至淋洗液的pH在7-8之间，即获得糙面玻璃晶体。
所述步骤（3）纳米TiO2溶胶制备：制备方法为溶胶-凝胶法，具体为在磁力搅拌器转速为1000 rpm搅拌条件下搅拌，将前驱体钛酸正丁酯的异丙醇溶液以120滴/分钟的速度滴加到pH为2.5的稀硝酸水溶液中，硝酸与钛酸正丁酯的摩尔比为76：1.42，75℃恒温搅拌（300 rpm），回流24小时后用旋转蒸发去除醇类，即可得到纳米TiO2溶胶。
所述步骤（4）糙面玻璃晶体-纳米TiO2复合材料制备：制备方法为浸渍-烧结法，具体为将步骤（2）中制作的糙面玻璃晶体在步骤（3）中获得的纳米TiO2溶胶中浸泡30min后取出在100℃条件下焙烘直至干燥，重复上述浸泡-焙烘步骤3次后，将负载纳米TiO2的糙面玻璃晶体在400℃条件下烧结2h，冷却后即可获得糙面玻璃晶体-纳米TiO2复合材料。
所述步骤（5）含玻璃晶体-纳米TiO2复合材料的水泥喷浆制备：先将水、水泥、界面粘结剂搅拌均匀后再加入玻璃晶体-纳米TiO2复合材料，水：水泥：界面粘结剂：玻璃晶体-纳米TiO2复合材料的混合比例为0.8：1.0：0.5：1.2，界面粘结剂的选择适用于水泥混凝土界面处理的I型粘结剂。
所述步骤（6）水工建筑物表面喷涂：首先对水工建筑物表面进行喷水预处理，以冲去表面浮灰并保证喷涂面湿润，然后将步骤（5）制备的含玻璃晶体-纳米TiO2复合材料的水泥喷浆液加入喷浆装置的送料箱，喷浆装置为水泥喷浆机，浆液喷涂时喷涂机工作压力为8MPa，喷嘴口径为0.6cm，涂层厚度为1cm，涂层覆盖范围位于河道水体最高和最低水位时河道边坡接触水体的范围。
所述步骤（7）喷浆液固化：在步骤（6）结束8h和16h后，在喷浆液表面喷水保湿，待涂层完全固化干燥后即制作完成。
喷涂浆液在固化后形成含玻璃晶体-纳米TiO2复合材料的光催化喷浆涂层表面，在自然光照下，喷浆涂层中的玻璃晶体可利用其透光性和光折射性增强玻璃糙面负载的纳米TiO2的光催化反应性能，进而将水体中污染物高效降解去除。
Claims (9)
1.具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是包括如下步骤：
（1）废弃玻璃筛选分离，制得玻璃晶体；
（2）糙面玻璃晶体制备；
（3）纳米光催化剂溶胶制备；
（4）糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料制备；
（5）含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆制备；
（6）水工建筑物表面喷涂；
（7）喷浆液固化。
2. 根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（1）废弃玻璃筛选分离：将收集的废弃玻璃敲碎后放入粉粹机内粉粹，将粉粹后的玻璃用筛分分析法分离出不同粒径的玻璃晶体；筛选出粒径为1.18mm -5mm的玻璃晶体用自来水清洗，自然干燥后备用。
3. 根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（2）糙面玻璃晶体制备：将步骤（1）中准备好的玻璃晶体在NaOH溶液中进行浸泡处理，NaOH溶液浓度为1.0mol/L -1.5mol/L，浸泡时间为5-12h，玻璃晶体表面经NaOH碱化处理后形成粗糙表面和微孔，有助于后续步骤中纳米光催化材料的附着，将碱化处理后的玻璃晶体用自来水清洗，直至淋洗液的pH在7-8之间，即获得糙面玻璃晶体。
4. 根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（3）纳米光催化剂溶胶制备：所述纳米光催化剂为锐钛矿型纳米TiO2，制备方法为溶胶-凝胶法；具体为在磁力搅拌器转速为1000 rpm搅拌条件下搅拌，将前驱体钛酸正丁酯的异丙醇溶液以120滴/分钟的速度滴加到pH为2.5的稀硝酸水溶液中，硝酸与钛酸正丁酯的摩尔比为76：1.42，75℃、300 rpm下恒温搅拌，回流24小时后用旋转蒸发去除醇类，最终得到纳米TiO2溶胶。
5.根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（4）糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料制备：制备方法为浸渍-烧结法，具体为将步骤（2）中制作的糙面玻璃晶体在步骤（3）中获得的纳米光催化剂溶胶中浸泡30min-50min后取出在100℃条件下焙烘直至干燥，重复上述浸泡-焙烘步骤3次后，将负载纳米光催化剂的糙面玻璃晶体在300℃-500℃条件下烧结2h-3h，冷却后即可获得糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料。
6.根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（5）含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆制备：先将水、水泥、界面粘结剂搅拌均匀后再加入糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料，水：水泥：界面粘结剂：糙面玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的混合比例按重量比（0.8-1.2）：（1.4-1.0）：（0.5-1.2）：（0.8-1.25）混合；所述界面粘结剂的选择适用于水泥混凝土界面处理的I型粘结剂，以增加水泥喷浆与水工建筑物混凝土界面的粘结强度。
7.根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（6）水工建筑物表面喷涂：首先对水工建筑物表面进行喷水预处理，以冲去表面浮灰并保证喷涂面湿润，然后将步骤（5）制备的含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的水泥喷浆加入喷浆装置的送料箱，所述喷浆装置为外墙喷涂机或水泥喷浆机，浆液喷涂时喷涂机工作压力为6MPa-8MPa，喷嘴口径为0.6cm-1.0cm；涂层厚度为0.6cm-1.2cm，涂层覆盖范围位于河道水体最高和最低水位时河道边坡接触水体的范围。
8.根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述步骤（7）喷浆液固化：在步骤（6）结束8h和16h后，在喷浆液表面喷水保湿，待涂层完全固化干燥后即制作完成。
9.根据权利要求1所述的具有高光催化性能的水工建筑物表面喷浆制备方法，其特征是所述喷浆液固化后形成含玻璃晶体-纳米光催化剂复合材料的光催化喷浆涂层表面，在自然光照下，喷浆涂层中的玻璃晶体可利用其透光性和光折射性增强玻璃糙面负载的纳米光催化剂的光催化反应性能，进而将水体中污染物高效降解去除，提高了光催化降解的高效性、稳定性和持久性。
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