CN110201660A - 一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明以浓硫酸、高锰酸钾、双氧水作为氧化剂，通过化学活化并氧化的方法得到了氧化生物质炭；通过锌源与氧化生物质炭在碱性条件下发生化学共沉淀，经高温热分解制备了氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。该方法能够将易于团聚的氧化锌负载到具有较大比表面积的生物质炭表面，既可以有效控制金属氧化物的团聚，提高其利用率，又可以发挥生物质炭优良的电子传导能力，在光催化过程中能够有效减缓光生电子和空穴的复合，提高其催化效率。实施例结果表明，本发明提供的复合材料用于光催化降解甲基橙时甲基橙的降解率可达99.83％。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着染料工业的快速发展，大量有机染料直接排入水体形成染料废水。有机染料主要分为阴离子染料、阳离子染料以及非离子染料。阴离子和非离子染料中的发色团主要是偶氮基团或蒽醌基团。相比其它染料，偶氮染料因其合成方法简单、结构多变、低成本、多色性、强稳定性等优势而被广泛使用，占生产总染料的65～70％。
甲基橙(Methy Orange,MO)是一种应用较广的偶氮染料，又名金莲橙D，其分子式为C14H14N3SO3Na，由对氨基苯磺酸经重氮化后与N，N-二甲基苯胺偶合而成，会对人体皮肤、粘膜等造成刺激灼伤等危害，对接触者的健康会有严重的影响。
目前，通过光催化作用可以实现甲基橙染料废水的降解。光催化降解的本质是在紫外/可见光的激发下，光催化剂产生电子和空穴，从而使大分子污染物被还原或氧化成小分子物质如水，二氧化碳等。在光催化降解过程中，需要被氧化还原的物质与光催化剂之间形成良好的接触。
氧化锌作为一种光催化剂材料，具有来源广泛，价格低廉，光电转化效率高的优点，然而，纯的氧化锌在使用过程中易团聚，无法实现与甲基橙的良好接触，且纯氧化锌因激发后的光生电荷易再次复合，致使其光催化活性下降，这些因素都会影响其光催化效率。
我国是世界重要的棉花产区，棉花收获后的会产生大量的棉秆。目前，棉秆部分粉碎还田，代煤供暖，还有很大一部分被焚烧，这不仅造成资源浪费，还对环境造成了严重污染。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料及其制备方法和应用。使用本发明制备方法得到的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料比表面积大、活性位点多，用作甲基橙降解光催化剂时催化效率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将棉杆、活化剂和水混合，依次进行干燥和煅烧，得到生物质炭；
(2)将所述生物质炭、浓硫酸、高锰酸钾、双氧水和水混合进行氧化反应，得到氧化生物质炭；
(3)将所述氧化生物质炭和水混合进行超声处理，之后与锌源溶液混合，将混合液的pH值调节至碱性后进行共沉淀反应，得到复合材料前驱体；
(4)对所述复合材料前驱体进行煅烧，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
优选的，所述步骤(1)中活化剂为氢氧化钾。
优选的，所述步骤(1)中棉杆、活化剂和水的质量比为1～8:0.5～3:100。
优选的，所述步骤(1)中煅烧的温度为450～580℃，时间为2～8h。
优选的，所述步骤(2)中生物质炭、高锰酸钾、浓硫酸、双氧水和水的用量比为0.5～4g:2～15g:25～100mL:10～30mL:250mL。
优选的，所述步骤(2)中的氧化反应具体通过以下步骤进行：将生物质炭、浓硫酸和高锰酸钾混合后搅拌1.5～3h，然后加入水和双氧水，静置8～12h。
优选的，所述步骤(3)中的锌源溶液为乙酸锌溶液、氯化锌溶液或硝酸锌溶液中的一种或几种；所述锌源溶液的质量浓度为0.06g/mL；所述氧化生物质炭与锌源的质量比为0.1～0.175:3。
优选的，所述步骤(4)中煅烧的温度为150～300℃，时间为2～8h。
本发明提供了上述制备方法制备的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
本发明还提供了上述氧化锌/棉秆生物质炭复合材料在光催化甲基橙降解中的应用。
本发明提供了一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的制备方法，本发明以浓硫酸、高锰酸钾、双氧水作为氧化剂，通过化学活化并氧化的方法得到了氧化生物质炭；通过锌源与氧化生物质炭在碱性条件下发生化学共沉淀，经高温热分解制备了氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。该方法能够将易于团聚的氧化锌负载到具有较大比表面积的生物质炭表面，既可以有效控制金属氧化物的团聚，提高其利用率，又可以发挥生物质炭优良的电子传导能力，在光催化过程中能够有效减缓光生电子和空穴的复合，提高其催化效率。同时，本发明以废弃棉秆为原料，对棉田废弃物棉秆实现了高值化利用，降低了农业废弃物对环境的污染。实施例结果表明，使用本发明制备方法得到的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料纳米颗粒团聚尺度小，催化活性位点多，用于光催化降解甲基橙时甲基橙的降解率可达99.83％。
附图说明
图1为氧化锌/棉秆生物质炭复合材料与氧化锌的的XRD对比图；
图2为氧化生物质炭和氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的场发射扫描电镜图，其中a为氧化生物质炭的场发射扫描电镜图，b为氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的场发射扫描电镜图；
图3为氧化生物质炭和氧化锌/棉杆生物质炭复合材料的红外光谱图；
图4为氧化锌、氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的光致荧光光谱；
图5为氧化锌/棉秆生物质炭的热重TG图；
图6为不同掺杂量氧化生物质炭的复合材料催化下甲基橙的降解率变化图；
图7为不同光照时间下的复合材料催化下甲基橙的降解率变化图；
图8为不同复合材料用量下甲基橙的降解率变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将棉杆、活化剂和水混合，依次进行干燥和煅烧，得到生物质炭；
(2)将所述生物质炭、浓硫酸、高锰酸钾、双氧水和水混合进行氧化反应，得到氧化生物质炭；
(3)将所述氧化生物质炭和水混合进行超声处理，之后与锌源溶液混合，将混合液的pH值调节至碱性后进行共沉淀反应，得到复合材料前驱体；
(4)对所述复合材料前驱体进行煅烧，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
本发明将棉杆、活化剂和水混合，依次进行干燥和煅烧，得到生物质炭。在混合前，本发明优选对所述棉杆依次进行粉碎和过筛，所述过筛优选为过80～120目筛。在本发明中，所述活化剂优选为氢氧化钾，本发明通过使用氢氧化钾作为活化剂，可以减少氧化锌/棉秆生物质炭复合材料在应用时对水质、土壤的影响。在本发明中，所述棉杆、活化剂和水的质量比优选为1～8:0.5～3:100，更优选为5:2:100。在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合，本发明对所述搅拌的时间和速率没有特殊的要求，能够使所述活化剂完全溶解即可。本发明通过活化剂的活化作用，可以对棉杆进行刻蚀，增大棉杆的比表面积。在本发明中，所述干燥的温度优选为100℃，本发明优选使用鼓风干燥机进行干燥；本发明对所述干燥的时间没有特殊的要求，能够将固体表面的水分去除即可。在本发明中，所述煅烧的温度优选为450～580℃，更优选为500～520℃，所述煅烧的时间优选为2～8h，更优选为4～6h。本发明通过煅烧，使活化后的棉杆发生炭化，得到生物质炭。
煅烧完成后，本发明优选对煅烧产物依次进行洗涤、过滤和烘干，得到生物质炭。在本发明中，所述洗涤用洗涤剂优选为稀盐酸，所述稀盐酸的浓度优选为1～2mol/L；本发明通过使用稀盐酸洗涤，可以去除煅烧产物表面残留的活化剂。在本发明中，所述过滤的方式优选为抽滤；本发明对所述烘干的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的烘干方式即可。
得到生物质炭后，本发明将所述生物质炭、浓硫酸、高锰酸钾、双氧水和水混合进行氧化反应，得到氧化生物质炭。在本发明中，所述生物质炭、高锰酸钾、浓硫酸、双氧水和水的用量比优选为0.5～4g:2～15g:25～100mL:10～30mL:250mL，更优选为1g:7g:50mL:20mL:250mL。在本发明中，所述浓硫酸的质量浓度优选为98％，所述双氧水的质量浓度优选为30％。本发明以浓硫酸、高锰酸钾、双氧水作为氧化剂，使生物质炭边缘和表面的部分碳原子发生氧化，产生大量的-OH、-COOH、-O-等亲水性含氧官能团，其中-OH、-COOH主要分布在棉秆生物质炭材料孔的边缘，-O-主要分布在生物质炭材料表面。
在本发明中，所述氧化反应优选具体通过以下步骤进行：将生物质炭、浓硫酸和高锰酸钾混合后搅拌1.5～3h，优选为2h，然后加入水和双氧水，静置8～12h，优选为9～11h；所述水和双氧水优选在持续搅拌的条件下依次加入。在本发明中，所述搅拌的方式优选为磁力搅拌，所述磁力搅拌的的转速优选为500rpm。
静置完毕后，本发明优选倒掉上清液，对下层的氧化反应物进行洗涤，再将洗涤后的氧化反应物调节pH值至中性，然后依次进行抽滤和烘干，得到干燥的氧化生物质炭。在本发明中，所述洗涤用洗涤剂优选为蒸馏水，所述洗涤的次数优选为3次。在本发明中，所述调节pH值至中性的方法优选为：向所述洗涤后的氧化反应物中加入氢氧化钠溶液，进行磁力搅拌，直至混合物的pH值至中性。在本发明中，所述氢氧化钠溶液的浓度优选为1mol/L。本发明对所述抽滤和烘干的具体操作没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的抽滤和烘干操作即可。
得到氧化生物质炭后，本发明将所述氧化生物质炭和水混合进行超声处理，之后与锌源溶液混合，将混合液的pH值调节至碱性后进行共沉淀反应，得到复合材料前驱体。在本发明中，所述氧化生物质炭的质量与水的体积比优选为1g：1000mL；所述超声处理的功率优选为60～80W，更优选为70W；所述超声处理的时间优选为1h。在本发明中，所述锌源溶液优选为乙酸锌溶液、氯化锌溶液或硝酸锌溶液中的一种或几种，最优选为乙酸锌溶液。所述锌源溶液的质量浓度优选为0.06g/mL；所述氧化生物质炭与锌源的质量比优选为0.1～0.175:3，更优选为0.125:3。
在本发明中，所述调节pH值用调节剂优选为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度优选为1mol/L。
本发明优选先将超声处理得到的氧化生物质炭水分散液加入锌源中，搅拌30min后再向混合液中加入氢氧化钠溶液调节pH值，然后进行共沉淀反应。本发明通过搅拌使溶解的锌离子吸附到氧化生物质炭的亲水基团上，形成氢氧化锌的成核中心。本发明优选使用氢氧化钠溶液调节混合液的pH值为8～9.5，更优选为8.5；在本发明中，所述氢氧化钠溶液的加入方式为滴加，所述滴加的速率优选为12滴/分钟。在本发明中，所述共沉淀反应的时间自开始滴加氢氧化钠溶液后计算，混合液的pH值达到要求后共沉淀反应完成。在共沉淀反应中，锌源在碱性条件下生成氢氧化锌纳米晶沉淀，并负载于氧化生物质炭中。
共沉淀反应完成后，本发明优选将共沉淀反应液依次进行陈化和过滤，将过滤产物洗涤后依次进行烘干和研磨，得到复合材料前驱体。在本发明中，所述陈化的时间优选为12h，在陈化过程中，氢氧化锌纳米晶逐渐生长变大。在本发明中，所述洗涤用洗涤剂优选为蒸馏水；所述烘干的温度优选为60℃。本发明对所述研磨的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的研磨方式即可。
得到复合材料前驱体后，本发明对所述复合材料前驱体进行煅烧，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。在本发明中，所述煅烧的温度优选为150～300℃，更优选为200～280℃；所述煅烧时间优选为2～8h，更优选为4～6h。本发明通过煅烧，使复合材料前驱体中的氢氧化锌转化为氧化锌，从而得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
本发明提供了上述制备方法制备的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。本发明提供的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料比表面积大，纳米颗粒团聚尺度小，活性位点多。
本发明提供了上述氧化锌/棉秆生物质炭复合材料在光催化甲基橙降解中的应用。本发明提供的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料作为光催化剂用于光催化降解甲基橙时，光照时间优选为90～120min，复合材料与甲基橙的质量比优选为30～70:1，最优选为50:1。
下面结合实施例对本发明提供的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将棉杆粉碎、过筛，取5g的粉碎后棉杆，2g的氢氧化钾，置于500mL的烧杯，加入100mL蒸馏水，用玻璃棒搅拌至碱全部溶解，放置鼓风干燥机中，温度设为100℃，烘干；将烘干的物质取出放入坩埚中，在箱式电炉中500℃，煅烧4h；将煅烧后的物质用1mol/L的稀盐酸润洗，抽滤后烘干，得到生物质炭；
(2)取500mL的烧杯，加入50mL的浓硫酸，再依次加入1g的生物质炭，7g的高锰酸钾，磁力搅拌2h后在持续搅拌的情况下依次加入250mL的蒸馏水，20mL的质量浓度为30％双氧水，停止搅拌；静置12h后取出，倒掉上清液，用蒸馏水洗涤3次，加强碱1mol/L氢氧化钠，调pH值为中性，沉淀后倒掉上清液，抽滤后烘干，得到氧化生物质炭；
(3)将3g乙酸锌溶解于50mL蒸馏水中，并不断搅拌，同时将0.1g氧化生物质炭在100mL水中超声处理(功率为60W)1h后形成亮黄色溶液，接着将亮黄色溶液加入到乙酸锌溶液中形成混合溶液，继续搅拌30min。然后向混合液中滴加1mol/L氢氧化钠溶液调节pH＝8.5，继续搅拌30min，陈化12h后抽滤，将沉淀用蒸馏水洗涤多次，在60℃下烘干，得到复合材料前驱体；将所得复合材料前驱体放入玛瑙研钵中研磨；
(4)将复合材料前驱体装入坩埚在箱式电炉中空气气氛200℃煅烧4h得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
实施例2
将实施例1步骤(3)中氧化生物质炭的质量变为0.05g，其余操作方式不变，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
实施例3
将实施例1步骤(3)中氧化生物质炭的质量变为0.075g，其余操作方式不变，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
实施例4
将实施例1步骤(3)中氧化生物质炭的质量变为0.125g，其余操作方式不变，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
实施例5
将实施例1步骤(3)中氧化生物质炭的质量变为0.15g，其余操作方式不变，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
实施例6
将实施例1步骤(3)中氧化生物质炭的质量变为0.175g，其余操作方式不变，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
对比例1
省略棉秆生物质炭的加入，将3g乙酸锌溶解于50mL蒸馏水中，加入1mol/L氢氧化钠溶液调节乙酸锌溶液pH至8.5、洗涤烘干后再在箱式电炉中空气气氛200℃煅烧4h得到氧化锌。
结构表征
(一)对实施例4所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料和对比例1所得氧化锌进行X射线衍射，X射线衍射在D/Max-2400X射线衍射仪上进行，采用Cu靶，管电压40kV，管电流60mA，扫描速度5°/min。测试方法：取少量样品放入样品槽中，压实后放入仪器中进行测试。所得结果如图1所示。
由图1可知，氧化锌与氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的衍射谱图中均有明显的特征衍射峰，分别对应(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)、(202)晶面，衍射峰均与(JCPDS No.36-1451)标准卡的衍射峰相对应，属于六方晶系纤锌矿结构。氧化锌/棉秆生物质炭复合材料衍射峰均向小角度方向发生了偏移，说明棉秆生物质炭与ZnO粒子之间产生了键合作用，且纳米颗粒团聚尺度减小。
对其余实施例所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行XRD测试，所得结果相似。
(二)使用JSM-6701F型场发射扫描电镜(日本)对实施例1所得氧化生物质炭和实施例4所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行场发射扫描电镜分析(FESEM)，所得结果如图2所示，其中a为氧化生物质炭的场发射扫描电镜图，b为氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的场发射扫描电镜图。
由图2中a可知，棉秆粉末经高温活化氧化后所得氧化生物质炭具有大量的孔隙，在活化剂的刻蚀作用下棉秆细胞壁变薄，逐渐被刻蚀产生了大量的中孔和大孔，孔的开口处较宽大，由外向里逐渐变小。这样的结构不仅增加了棉秆生物质炭的比表面积，而且也有利于纳米粒子的负载和被催化物质快速嵌入和嵌出，提高催化效率。由图2中b可知，氧化锌纳米颗粒均匀的负载于棉秆生物质炭表面，棉秆生物质炭经修饰后在其孔道开口处产生了大量的亲水基团，使氧化锌在孔口处负载量较多，部分氧化锌颗粒负载到孔的内壁，氧化锌颗粒间疏松堆积，有利于催化物质快速嵌入和嵌出，同时增大了氧化锌的可利用面积，丰富了催化活性位点，能有效提高催化效率。
对其余实施例所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行场发射扫描电镜分析，所得结果相似。
由此可知，本发明提供的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料具有较大的比表面积，且纳米颗粒团聚尺度小，活性位点多，能有效提高催化效率。
(三)采用傅氏转换红外线光谱分析仪(FTIR)对实施例1所得氧化生物质炭和实施例4所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行红外光谱分析，所得结果如图3所示。
由图3可知，在3434cm-1波数处宽且强的吸收峰对应于醇或酚O-H的伸缩振动，表明有大量水分子通过氢键作用吸附于氧化生物质炭、氧化锌/棉秆生物质炭复合材料丰富的孔道中。在2923cm-1和2853cm-1波数处出现的吸收峰对应于饱和碳原子上的-CH2中C-H键反对称伸缩振动和对称伸缩振动，这是由棉秆经过高温煅烧碳化后引起的。1626cm-1波数处出现的较强吸收峰为苯环骨架振动的C＝C伸缩振动，1390cm-1波数处弱的吸收峰为烷烃类C-H键的面内弯曲振动和酚类O-H键的面内弯曲振动，1040cm-1波数处为醇类和醚类C-O键的伸缩振动吸收峰，434cm-1波数处比较尖锐的吸收峰对应于Zn-O的弯曲振动。由以上分析得出，氧化锌很好的复合在了棉秆生物质炭表面，氧化后的棉秆生物质炭表面有丰富的亲水基团，易于反应物和催化剂间的接触，有利于催化反应进行。
对其余实施例所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行红外光谱分析，所得结果相似。
(四)对实施例4所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料和对比例1所得氧化锌进行光致荧光光谱分析，所得PL图谱如图4所示。
由图4可知，氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的荧光峰强度明显低于氧化锌的荧光峰强度，这表明氧化锌/棉秆生物质炭复合材料中光生电子和空穴复合的几率降低，分离效率升高。说明氧化锌和棉秆生物质炭复合后，棉秆生物质炭对光生电子的传导作用致使光生电子和空穴复合的时间延长。
对其余实施例所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行光致荧光光谱分析，所得结果相似。
(五)对实施例4所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行热重分析，所得结果如图5所示。
由图5可知，在空气气氛中氧化锌/棉秆生物质炭的分解可分为三个阶段，在200℃以下质量损失为氧化锌/棉秆生物质炭复合材料所含吸附水的分离，200℃至450℃间质量损失为该复合材料结构水的分离，450℃至600℃间质量损失为复合材料中棉秆生物质炭的氧化分解，600℃以上基本无明显的质量损失，说明在600℃时复合材料中棉秆生物质炭已经氧化分解完全。
对其余实施例所得氧化锌/棉秆生物质炭复合材料进行热重分析，所得结果相似。
性能测试
1.不同掺杂量氧化生物质炭对光催化降解甲基橙的影响
将石英冷阱固定在磁力搅拌器上，并用橡皮筋将放有磁子的石英试管固定在石英冷阱外壁，且石英试管距离磁力搅拌器界面约1cm，室温下分别加入0.04g实施例1～6所得的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料及对比例1所得的氧化锌，放入石英试管中，用量筒量取40mL浓度为20mg/L的甲基橙溶液倒入石英试管中。石英冷阱中放入125W的高压汞灯作为光源，磁力搅拌器转速调节为550转左右。利用挡板使其处于黑暗环境中并使用磁力搅拌器搅拌0.5h，使其处于吸附平衡。接着在紫外光下连续照射1.5h。在光照过程中，持续施予磁力搅拌，以防止纳米颗粒团聚。计算不同掺杂量氧化生物质炭的复合材料催化下甲基橙的降解率，所得结果如图6所示。
其中，甲基橙的降解率的测试方法如下：
(1)绘制标准曲线：配制甲基橙浓度为5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L的5个浓度梯度。以蒸馏水作参比于最大吸收波长464nm处测定其吸光度，每个浓度平行三组测定，取其平均值。同时根据所得数据以横坐标为浓度，纵坐标为吸光度绘制出标准曲线图。根据设定的5个浓度梯度所绘制的标准曲线可得方程：Y＝0.0602x+0.019，R2＝0.9993。根据所获得的方程，通过随后样品检测获得的吸光度计算获得相对应浓度，并且通过降解速率的计算公式分析相应的催化氧化效果。
(2)用蒸馏水配置20mg/L的甲基橙溶液，以蒸馏水作参比于最大吸收波长464nm处测定甲基橙溶液的最初吸光度A0，XRD用移液管移取40mL此浓度的甲基橙溶液于60mL的干燥洁净石英试管中，加入0.04g氧化锌/棉秆生物质炭复合材料置于黑暗环境中，磁力均匀搅拌下于室温下(20℃左右)用125W的紫外光照射，间隔15min后测剩余甲基橙溶液的吸光度At。因甲基橙的吸光度正比于浓度，故其光催化降解率D％如式I所示：
式I中:C0、A0—分别为甲基橙的初始浓度和初始吸光度；Ct、At—分别为降解t时间后甲基橙剩余溶液的浓度和吸光度。
由图6可知当氧化生物质炭掺杂量不断增加时，氧化锌/生物质炭复合材料对甲基橙的光催化降解效率先升高后降低。氧化生物质炭掺杂量低于0.1g时对甲基橙的降解效果低于纯的氧化锌，这是由于掺杂的氧化生物质炭占复合材料比例较小，氧化锌没有完全负载在氧化生物质炭上，复合材料的化学稳定性较差，未能很好地吸附甲基橙。当复合材料中氧化生物质炭掺杂量在0.1g及以上时对甲基橙的降解效果优于纯的ZnO，且甲基橙的降解率存在一个最高点，复合材料中氧化生物质炭掺杂量为0.125g时对甲基橙的降解率达到最大值99.83％。这是由于随着氧化生物质炭掺杂量的增加，有更多的氧化锌负载在了氧化生物质炭上，增加了反应的有效比表面积使得吸附能力增强，光催化能力提升。
2.光照时间对甲基橙降解率的影响
使用实施例4所得作为氧化锌/棉秆生物质炭复合材料作为测试样品，将上文测试中的光照时间分别变为15min、30min、45min、60min、75min、90min，其余测试条件不变，计算不同光照时间下的复合材料催化下甲基橙的降解率，所得结果如图7所示。
由图7可知，反应开始时，光催化降解率迅速增加，而增加到一定程度后，降解率增大的趋势有所减缓。反应开始时，降解速率快，这主要是由于当甲基橙开始发生降解，催化剂表面的吸附平衡被打破，甲基橙分子不断从溶液中转移到催化剂表面并发生一系列的氧化还原反应，最终甲基橙被分解成二氧化碳和水，吸附过程和光催化过程的协同作用有助于提升光催化性能。反应后期降解率增大的趋势有所减缓，这是由于随着时间的流逝体系中的催化剂含量在不断减少，使得降解变得有所缓慢。
3.复合材料用量对甲基橙降解率的影响
使用实施例4所得作为氧化锌/棉秆生物质炭复合材料作为测试样品，将上文测试中的复合材料用量分别改为0.024g、0.032g、0.04g、0.048g、0.056g(其与甲基橙的质量比分别为30：1、40：1、50：1、60：1、70：1)其余测试条件不变，计算不同复合材料用量下甲基橙的降解率，所得结果如图8所示。
从图8中可以看出，当氧化生物质炭添加量增加时，甲基橙的光催化降解效率先增加到最大值，然后继续下降。造成这种现象的主要原因是光催化剂用量少时，光催化剂与甲基橙之间的吸附作用弱。在光源的照射下，光源的利用率低，导致甲基橙的降解率低。随着光催化剂用量的增加，甲基橙与其之间的吸附量增加，降解率增加且会达到一个峰值，催化剂用量为0.04g(与甲基橙的质量比为50∶1)时甲基橙的降解率最佳为99.83％。当催化剂的用量再继续增加时，由于存在大量固体颗粒，光子被散射，催化剂没有有效的被光子照射，则会导致光催化活性的损失和光催化降解效率的降低。
由以上结构表征和性能测试可知，本发明提供的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料比表面积大、活性位点多，用作甲基橙降解光催化剂时催化效率可达99.83％，具有良好的催化效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氧化锌/棉秆生物质炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将棉杆、活化剂和水混合，依次进行干燥和煅烧，得到生物质炭；
(2)将所述生物质炭、浓硫酸、高锰酸钾、双氧水和水混合进行氧化反应，得到氧化生物质炭；
(3)将所述氧化生物质炭和水混合进行超声处理，之后与锌源溶液混合，将混合液的pH值调节至碱性后进行共沉淀反应，得到复合材料前驱体；
(4)对所述复合材料前驱体进行煅烧，得到氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中活化剂为氢氧化钾。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中棉杆、活化剂和水的质量比为1～8:0.5～3:100。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中煅烧的温度为450～580℃，时间为2～8h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中生物质炭、高锰酸钾、浓硫酸、双氧水和水的用量比为0.5～4g:2～15g:25～100mL:10～30mL:250mL。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的氧化反应具体通过以下步骤进行：将生物质炭、浓硫酸和高锰酸钾混合后搅拌1.5～3h，然后加入水和双氧水，静置8～12h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的锌源溶液为乙酸锌溶液、氯化锌溶液或硝酸锌溶液中的一种或几种；所述锌源溶液的质量浓度为0.06g/mL；所述氧化生物质炭与锌源的质量比为0.1～0.175:3。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中煅烧的温度为150～300℃，时间为2～8h。
9.权利要求1～8任意一项所述制备方法制备的氧化锌/棉秆生物质炭复合材料。
10.权利要求9所述氧化锌/棉秆生物质炭复合材料在光催化甲基橙降解中的应用。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112457853A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-09 | 河南省科学院高新技术研究中心 | 一种富锌生物炭及其制备方法和在重金属污染土壤钝化修复方面的应用 |
| CN112759475A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-05-07 | 湖南华田盛德生物科技有限公司 | 一种基于腐殖酸的环保缓释型复混肥料及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106495151A (zh) * | 2016-10-24 | 2017-03-15 | 塔里木大学 | 棉秆基活性炭的制备方法 |
| CN107282030A (zh) * | 2017-05-11 | 2017-10-24 | 华南理工大学 | 一种三维木质素多孔碳/氧化锌复合材料及其制备和在光催化领域中的应用 |
| CN108452767A (zh) * | 2018-01-27 | 2018-08-28 | 桂林理工大学 | 一种纳米氧化锌-剑麻纤维炭复合物的制备方法 |
| CN109499563A (zh) * | 2017-09-15 | 2019-03-22 | 张家港市沐和新材料技术开发有限公司 | 一种氧化锌-活性炭复合催化剂的制备方法 |
-
2019
- 2019-06-19 CN CN201910531202.1A patent/CN110201660A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106495151A (zh) * | 2016-10-24 | 2017-03-15 | 塔里木大学 | 棉秆基活性炭的制备方法 |
| CN107282030A (zh) * | 2017-05-11 | 2017-10-24 | 华南理工大学 | 一种三维木质素多孔碳/氧化锌复合材料及其制备和在光催化领域中的应用 |
| CN109499563A (zh) * | 2017-09-15 | 2019-03-22 | 张家港市沐和新材料技术开发有限公司 | 一种氧化锌-活性炭复合催化剂的制备方法 |
| CN108452767A (zh) * | 2018-01-27 | 2018-08-28 | 桂林理工大学 | 一种纳米氧化锌-剑麻纤维炭复合物的制备方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| JIANGDONG YU ET AL.: "Enhanced removal of Cr(VI) from aqueous solution by supported ZnO nanoparticles on biochar derived from waste water hyacinth", 《CHEMOSPHERE》 * |
| MAHDA SADAT NASROLLAHZADEH ET AL.: "Synthesis of ZnO nanostructure using activated carbon for photocatalytic degradation of methyl orange from aqueous solutions", 《APPLIED WATER SCIENCE》 * |
| 刘卫主编: "《无机化学实验》", 31 August 2012, 中国科学技术大学出版社 * |
| 刘希涛等著: "《活化过硫酸盐在环境污染控制中的应用》", 30 April 2018, 中国环境科学出版社 * |
| 汪多仁编著: "《绿色净水处理剂》", 30 November 2006, 科学技术文献出版社 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112457853A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-09 | 河南省科学院高新技术研究中心 | 一种富锌生物炭及其制备方法和在重金属污染土壤钝化修复方面的应用 |
| CN112759475A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-05-07 | 湖南华田盛德生物科技有限公司 | 一种基于腐殖酸的环保缓释型复混肥料及其制备方法 |
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