CN109833894B

CN109833894B - 一种可净化空气的光催化再生轻质骨料及其制备方法

Info

Publication number: CN109833894B
Application number: CN201910191777.3A
Authority: CN
Inventors: 苏文悦; 杨宇; 钱心嘉; 季韬; 戴文新; 王心晨
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109833894A

Abstract

本发明涉及一种可净化空气的光催化再生轻质骨料及其制备方法。所述光催化骨料由再生轻质骨料和石墨相氮化碳（g‑C₃N₄）组成。取g‑C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散2~4小时，得到g‑C₃N₄分散液；将再生轻质骨料在0.2 M的氢氧化钠溶液超声处理30~90分钟得到碱处理的再生轻质骨料；通过真空吸入法在再生轻质骨料表面和孔隙中附着g‑C₃N₄；洗涤干燥制得光催化再生轻质骨料。本发明能在太阳光照射下实现净化空气的功能；并且具有抵御实际应用中机械磨损和雨水冲刷引起的催化剂剥落，维持实际应用中高效持久的光催化性能。同时本发明拓展了再生轻质骨料的应用范围，具有良好的经济效益和环境效益。

Description

一种可净化空气的光催化再生轻质骨料及其制备方法

技术领域

本发明属于环境型材料领域，具体涉及一种可净化空气的光催化再生轻质骨料及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，城市机动车的保有量急剧增加，汽车尾气已经成为我国城市空气污染物的重要来源。尤其是道路交叉口或交通易堵塞的路段，汽车尾气不易扩散，对周边环境和人体健康造成严重的危害。

半导体光催化技术是一门绿色可持续的环境修复技术。光催化剂在太阳光的照射下，能够产生强氧化还原功能的电子和空穴，将汽车尾气中的CO、HC、NO_x等转化为低毒（NO₃ ^-）或无毒（CO₂和H₂O）的降解产物，其中光催化剂不直接参与反应，本身不随着反应时间的延长而消耗，理论上具有永久性。鉴于汽车尾气第一时间与道路接触，其次是道路两侧的交通设施和建筑物。因此，赋予道路材料等建筑材料光催化功能，可以有效降低汽车尾气的浓度，达到净化空气的目的。

目前关于光催化路面材料的研究，主要涉及在路面材料中负载光催化剂，以赋予路面材料光催化净化空气污染物的功能。CN101703889A公开了一种胶粉负载型路面汽车尾气降解复合材料的制备方法；CN108889340A公开了一种催化降解汽车尾气型沥青混合料制备方法；CN106189861A以纳米二氧化钛为催化剂拌和氟碳树脂制备耐候性良好的光催化涂层，具有释放负离子的功效，可有效净化空气。在此类内掺拌和光催化剂的复合材料中，催化剂容易团聚，且大部分催化剂被包裹在基体材料中，无法充分接触气体污染物和太阳光，导致效费比较低。此外，现有光催化路面复合材料中采用的光催化剂大多为二氧化钛。但二氧化钛只对太阳光中的紫外光响应，而紫外光仅占太阳光的4.5%。这极大地限制了该技术的推广应用。

建筑骨料是最普遍的建筑材料之一，将光催化剂均匀地包裹在骨料表面可有效改善催化剂在光催化建筑材料中容易团聚的问题，提高其效费比。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种廉价、无毒、不含金属组分的可见光催化剂。研究证实g-C₃N₄具有良好的可见光降解空气污染物的功能。CN108609930A通过在水泥砂浆中拌和g-C₃N₄制得一种可在蓝紫光驱动下光催化脱除氮氧化物和挥发性有机物的光催化水泥砂浆。但目前尚未见g-C₃N₄在建筑骨料中的应用研究报道。

我国每年产生的建筑垃圾约为10亿吨，其中废弃黏土砖的产量占建筑垃圾总量的50%以上。废弃黏土砖经过破碎，筛分可加工成不同粒径的再生轻质骨料。再生轻质骨料是一种多孔骨料，在再生轻质骨料的表面和孔隙中附着g-C₃N₄制得的光催化骨料，不仅可以在可见光照射下净化空气，而且解决了催化剂在光催化建筑材料中易团聚的问题，提高了光催化建筑材料的效费比。相比于天然骨料，再生轻质骨料的表面孔隙不仅提供更大比表面积附着g-C₃N₄，而且附着于再生轻质骨料表面孔隙中的g-C₃N₄，可以有效避免实际应用中因机械磨损和雨水冲刷而导致的催化剂流失。同时，再生轻质骨料表面孔隙中的g-C₃N₄可以接触到阳光和空气污染物，继而维持其高效持久的光催化净气功能。该光催化骨料可广泛应用于水泥混凝土路面，行人道路面，透水砖工程等领域，起到净化空气的作用。经过大量的专利及文献检索尚未见可净化空气的光催化再生轻质骨料的研究报道。

发明内容

鉴于现有技术的空白和不足，本发明提供一种可净化空气的光催化再生轻质骨料及其制备方法。

本发明提出的一种可净化空气的光催化再生轻质骨料，该光催化再生轻质骨料由再生轻质骨料和石墨相氮化碳（g-C₃N₄）组成，其中再生轻质骨料和g-C₃N₄按重量百分比计：再生轻质骨料为：85~99%，g-C₃N₄为1~15%，两者总重量为100%。

本发明中再生轻质骨料为废弃黏土砖经过破碎，筛分加工成一定粒径范围内（0.075~25 mm）的颗粒。所述再生轻质骨料为多孔材料，其孔隙率为15~30%。其主要组分为：MgO 0~10%，SiO₂ 20~45%，Al₂O₃ 30~45%，Fe₂O₃ 10~30%，TiO₂ 0~5%。

本发明中，所述光催化剂为块状g-C₃N₄或纳米片状的g-C₃N₄。其中块状g-C₃N₄以如下方法制得：块状g-C₃N₄的制备方法如下：称取2 g的三聚氰胺置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550 ℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨得到粒径为0.3~10 µm块状g-C₃N₄。纳米片状的g-C₃N₄以如下方法制得：称取2g三聚氰胺和10g氯化铵，混合均匀后置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨均匀得到厚度为5 nm直径为0.2~10 µm的纳米片状g-C₃N₄。相对于仅对波长小于387 nm的紫外光响应的二氧化钛，纳米片状的g-C₃N₄可以吸收波长小于475nm的可见光，拓宽了对太阳光谱的利用率，实现了可见光驱动下的光催化反应。

本发明所述的一种可净化空气的光催化再生轻质骨料的制备方法，具体步骤如下：（1）取g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散2~4小时，得到g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和g-C₃N₄的质量比为：4~60；（2）取再生轻质骨料在0.2 M的氢氧化钠溶液超声处理30~90分钟激活表面活性，烘干得到碱处理的再生轻质骨料颗粒；（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生轻质骨料颗粒置于密闭容器中并抽真空，直至0~0.2 MPa的真空度；（4）利用大气压将步骤（1）中所得的g-C₃N₄分散液注入步骤（3）中的密闭容器中，直至淹没所有骨料，保压1~5小时，洗涤干燥得到光催化再生轻质骨料。相比于天然骨料，再生轻质骨料的表面孔隙不仅提供更大比表面积附着g-C₃N₄，而且附着于再生轻质骨料表面孔隙中的g-C₃N₄，可以有效避免实际应用中因机械磨损和雨水冲刷而导致的催化剂流失。同时，再生轻质骨料表面孔隙中的g-C₃N₄可以接触到阳光和空气污染物，继而维持高效持久的光催化净气功能。

与现有光催化建筑材料相比，本发明具有以下优点：

（1）再生轻质骨料表面和孔隙中的g-C₃N₄可以在可见光驱动下降解空气污染物；

（2）将g-C₃N₄均匀地包裹在再生轻质骨料表面和孔隙中，可以有效解决催化剂在建筑材料中容易团聚的问题，提高光催化建筑材料的效费比；

（3）由于大部分g-C₃N₄附着再生轻质骨料的孔隙中，相比于天然骨料，再生轻质骨料的表面孔隙不仅提供更大比表面积附着g-C₃N₄，而且附着于再生轻质骨料表面孔隙中的g-C₃N₄，可以有效避免实际应用中因机械磨损和雨水冲刷而导致的催化剂流失。同时，再生轻质骨料表面孔隙中的g-C₃N₄可以接触到阳光和空气污染物，继而维持高效持久的光催化净气功能。

（4）本发明拓展了再生轻质骨料的应用范围，符合我国当前循环经济与环境保护的发展需求，具有良好的经济效益和环境效益。

附图说明

图1为NO_x光催化性能测试系统示意图；其中①高纯空气；②减压阀；③稳流阀；④NO钢瓶气；⑤洗气瓶；⑥流速控制器；⑦温湿度感应器；⑧反应器；⑨NO_x分析仪；⑩尾气吸收瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明所保护范围不限于此。基于本发明中的实施例，本领域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。

本发明中所得骨料的光催化净气性能通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）来评价：整个测试体系为密闭空间，以一氧化氮为模拟空气污染物，通过气路混合装置控制目标气体浓度为1 ppm的NO，气体流速为1 L/min，湿度为50±2%，温度为25±2℃，反应器中装填质量为5 g的光催化骨料，反应器上方10 mm处安装氙灯（波长>420nm），经过反应器的气体直接进入NO_x分析仪实时采集气体中的NO_x的浓度值，按下式计算光催化骨料的光催化效率：

。

其中ƞ为光催化效率（%），C_off为未开灯时NO浓度，C_on为开灯时NO浓度。

实施例1

本发明实例的一种可净化空气的光催化再生轻质骨料，主要由下列质量百分比的原料制成：再生轻质骨料为：85%，纳米片状g-C₃N₄为15%，两者总重量满足100%。取规格为0.075~5 mm，孔隙率为25%的再生轻质骨料，其主要成分如下：MgO 5%，SiO₂ 26%，Al₂O₃ 40%，Fe₂O₃ 26%，TiO₂ 3%。

本发明实例的一种可净化空气的光催化再生轻质骨料，具体步骤为：

（1）取纳米片状g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散4小时，得到纳米片状g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和纳米片状g-C₃N₄的质量比为：5:1；

（2）取再生轻质骨料在0.2 M的氢氧化钠溶液超声处理90分钟，烘干得到碱处理的再生轻质骨料颗粒，其中再生轻质骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：9:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生轻质骨料颗粒置于密闭容器中并抽真空至0MPa的真空度；

（4）利用大气压将步骤（1）中所得的g-C₃N₄分散液全部注入步骤（3）中的密闭容器中，直至淹没所有骨料，保压5小时，洗涤干燥得到光催化再生轻质骨料。

对所得光催化骨料进行光催化性能评价，通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）实现，其可见光催化氧化氮氧化物的平均活性为50%。

实施例2

本发明实例的一种可净化空气的光催化再生轻质骨料，主要由下列质量百分比的原料制成：再生轻质骨料为：92%，块状g-C₃N₄为8%，两者总重量满足100%。取规格为5~10 mm，孔隙率为17%的再生轻质骨料，其主要成分如下：MgO 5%，SiO₂ 26%，Al₂O₃ 40%，Fe₂O₃ 26%，TiO₂ 3%。

（1）取块状g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散2小时，得到块状g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和块状g-C₃N₄的质量比为：10:1；

（2）取再生轻质骨料在0.2 M的氢氧化钠溶液超声处理30分钟，烘干得到碱处理的再生轻质骨料颗粒，其中再生轻质骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：13:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生轻质骨料颗粒置于密闭容器中并抽真空至0.1MPa的真空度；

（4）利用大气压将步骤（1）中所得的g-C₃N₄分散液全部注入步骤（3）中的密闭容器中，直至淹没所有骨料，保压3小时，洗涤干燥得到光催化再生轻质骨料。

对所得光催化骨料进行光催化性能评价，通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）实现，其可见光催化氧化氮氧化物的平均活性为30%。

实施例3

本发明实例的一种可净化空气的光催化再生轻质骨料，主要由下列质量百分比的原料制成：再生轻质骨料为：94%，纳米片状g-C₃N₄为6%，两者总重量满足100%。取规格为10~15 mm，孔隙率为15%的再生轻质骨料，其主要成分如下：MgO 5%，SiO₂ 26%，Al₂O₃ 40%，Fe₂O₃26%，TiO₂ 3%。

（1）取纳米片状g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散3小时，得到纳米片状g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和纳米片状g-C₃N₄的质量比为：8:1；

（2）取再生轻质骨料在0.2 M的氢氧化钠溶液超声处理60分钟，烘干得到碱处理的再生轻质骨料颗粒，其中再生轻质骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：17:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生轻质骨料颗粒置于密闭容器中并抽真空至0.2MPa的真空度；

（4）利用大气压将步骤（1）中所得的g-C₃N₄分散液全部注入步骤（3）中的密闭容器中，直至淹没所有骨料，保压1小时，洗涤干燥得到光催化再生轻质骨料。

对所得光催化骨料进行光催化性能评价，通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）实现，其可见光催化氧化氮氧化物的平均活性为35%。

Claims

1.一种可净化空气的光催化再生轻质骨料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）取g-C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散2~4小时，得到g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和g-C₃N₄的质量比为：4~60：1；

（2）取再生轻质骨料在0.2 M的氢氧化钠溶液超声处理30~90分钟，烘干得到碱处理的再生轻质骨料颗粒，其中再生轻质骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：3~20:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生轻质骨料颗粒置于密闭容器中并抽真空，直至0~0.2 MPa的真空度；

（4）利用大气压将步骤（1）中所得的g-C₃N₄分散液全部注入步骤（3）中的密闭容器中，直至淹没所有骨料，保压1~5小时，洗涤干燥得到光催化再生轻质骨料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该光催化再生轻质骨料包括再生轻质骨料和石墨相氮化碳g-C₃N₄，其中再生轻质骨料和g-C₃N₄按重量百分比计：再生轻质骨料为：85~99%，g-C₃N₄为1~15%，两者总重量为100%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述再生轻质骨料为废弃黏土砖经过破碎，筛分加工成0.075~25mm粒径的颗粒，其主要成分包括：MgO 0~10%，SiO₂ 20~45%，Al₂O₃30~45%，Fe₂O₃ 10~30%，TiO₂ 0~5%；所述再生轻质骨料为多孔材料，其孔隙率为15~30%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述石墨相氮化碳g-C₃N₄为块状g-C₃N₄或纳米片状g-C₃N₄。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述块状g-C₃N₄的制备方法为：称取2g的三聚氰胺置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550 ℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨得到粒径为0.3~10 µm块状g-C₃N₄。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纳米片状的g-C₃N₄的制备方法为：称取2g三聚氰胺和10g氯化铵，混合均匀后置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨均匀得到厚度为5 nm直径为0.2~10 µm的纳米片状g-C₃N₄。