CN110237844A - 一种负载纳米二氧化钛的泡沫镍及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载纳米二氧化钛的泡沫镍及其制备方法和应用,属于光催化材料领域。本发明采用喷涂的方法在泡沫镍基体上负载一层含有二氧化钛和硅酸盐的液膜,然后再通过酸处理和碱处理,使得该液膜形成老化硅胶。最终得到的硅胶呈多孔状,二氧化钛颗粒一方面具有较多的暴露面积,另一方面也能够被老化硅胶牢固地固定在泡沫镍表面,既保证了光催化效率又提高了两者的结合力。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料领域,具体涉及一种负载纳米二氧化钛的泡沫镍及其制备方法和应用。
背景技术
二氧化钛以其优异的光催化性能得到越来越多的科学家的重视,但由于其自身的缺陷,它在生活中的应用仍然受到很大的限制。
首先,虽然二氧化钛光催化剂有着较好的光催化活性,但是二氧化钛在实际使用时,目前所制备的二氧化钛光催化剂主要有粉末和薄膜两种。粉末二氧化钛对固液过程存在易团聚和反应后难回收的问题;对气固过程则存在易堵塞,传质阻力高的弊端,采用薄膜二氧化钛可以有效地解决这一问题,但目前采用的载体如玻璃球、多孔陶瓷等均存在接触面积小、光电子利用率低等问题,因此寻找合适的催化剂载体对二氧化钛进行负载是影响二氧化钛光催化技术能否实际应用的关键问题;
其次,负载型二氧化钛存在载体与二氧化钛薄膜粘结的牢固性不够,重复使用率低的缺点,为此,需要解决二氧化钛薄膜与固载载体的粘着性差的问题。
为增大二氧化钛在载体上的接触面积,提高光电子的利用率,现有技术中提出了泡沫镍,它是将金属镍制成泡沫海绵状,具有三维全贯通网孔结构。泡沫镍的比表面积极大,纳米二氧化钛负载在泡沫镍表面,表面接触面积大,在紫外光源照射下,具有良好的光催化活性。但是,二氧化钛和泡沫镍存在结合强度不高的问题,二氧化钛颗粒容易从泡沫镍上脱落。
为了增大二氧化钛和泡沫镍的结合力,增大负载量,从而提高二氧化钛的光催化活性,现有技术中在泡沫镍和催化剂之间添加有机粘结剂是一种常用手段,但由于粘结剂对二氧化钛颗粒的包裹,导致二氧化钛几乎失去了光催化活性;此外引入中间层的研究也是一种常用的手段,如上海交通大学的上官文峰实验组先后在泡沫镍上以凝胶-溶胶法浸涂制得Al2O3薄膜(无机材料学报,2007,22(2):363-368)、3Al2O3·2SiO2薄膜(稀有金属材料与工程,2008,37(2):143-147)、 SiO2薄膜(上海交通大学学报,2009,37(2):143-147)作为中间层,进而负载二氧化钛以提高其光催化性能,但在上述方法中,中间层的获得是将前驱体溶液直接浸涂到泡沫镍上的,所得的中间层厚度有限,多孔性不够。一方面,中间层与泡沫镍之间的结合力较差;另一方面,中间层与后续二氧化钛涂层的结合力较差,同时大大限制了后续二氧化钛的负载量,对光催化活性的增强效果也并不明显。此外,此种方法存在制备过程复杂,商用价值不高等缺点。
另外,刘燕辉等(应用化工,2009,38(1):79-82)为了解决二氧化钛被粘接剂包裹导致暴露不足的问题,提供了一种先涂覆硅溶胶,然后再通过浸涂或喷涂方式负载二氧化钛颗粒的方法。该方法虽然能够在一定程度上避免二氧化钛被包裹的问题,但该方法的二氧化钛粘结力不足,当这种材料置于长期曝气或者超声的环境下,容易出现二氧化钛脱落,造成光催化失效。
因此,如何在保证二氧化钛光催化活性的同时提高其在泡沫镍上的结合强度,是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于解决二氧化钛与固载载体的结合强度差、光催化效率不足的问题,并提供一种负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法。
本发明所采用的具体技术方案如下:
一种负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其步骤如下:
S1:将纳米二氧化钛、分散剂、硅酸盐和稀释剂混合后,超声分散,得到均一的分散液;
S2:将所述分散液喷涂在泡沫镍基底上形成覆膜,干燥后得到硅酸盐负载的泡沫镍;
S3:将所述硅酸盐负载的泡沫镍浸泡于酸性溶液中对硅酸盐进行中和,然后再取出浸泡于碱性溶液中老化,得到表面附着有二氧化钛老化硅胶的改性泡沫镍。
本发明中,二氧化钛老化硅胶是指负载有二氧化钛颗粒的老化硅胶。该硅胶附着于泡沫镍的多孔结构表面。
基于该方案,本发明还可以进一步提供如下优选方式。各优选方式中的技术特征在没有冲突的情况下,均可进行相互组合,不构成限制。
作为优选,纳米二氧化钛为粒径1~100nm的锐钛矿二氧化钛;所述泡沫镍的厚度0.5~3mm,内孔数目为20-300,孔隙率大于90%。
作为优选,所述的分散剂优选为醇类,所述的硅酸盐优选为硅酸钠或硅酸钾,所述的稀释剂优选为水
作为优选,所述醇类为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的至少一种。
作为优选,纳米二氧化钛、硅酸盐和稀释剂的比例为1:(2~10):(5~50),该比例的单位为g:ml:ml。
作为优选,所述分散剂的投加量优选为纳米二氧化钛的0.5~10倍,即 0.5~10ml/g纳米二氧化钛。
作为优选,所述的酸性溶液的pH为2~6,浸泡时间为1~3h;所述的碱性溶液pH为8~12,浸泡时间为1~24h。
作为优选,所述的酸性溶液优选为醋酸,所述的碱性溶液优选为NaOH溶液。
作为优选,所述改性泡沫镍上的二氧化钛老化硅胶附着量为0.02~0.5g/dm2。
作为优选,泡沫镍从酸性溶液中取出后应当先用清水洗涤至中性,然后再放入碱性溶液中浸泡,避免中和碱影响老化过程。
作为优选,喷涂过程中,喷枪距离泡沫镍的距离为5~100cm,移动速度为 1~100cm/min。
作为优选,所述酸性溶液的温度为10~50℃。
作为优选,所述碱性溶液的温度为10~50℃。
本发明的另一目的在于提供一种如上述任一方法制备的负载纳米二氧化钛的泡沫镍。
本发明的另一目的在于提供一种上述负载纳米二氧化钛的泡沫镍的用途,具体为:将该泡沫镍作为光催化材料进行污水处理。
作为优选,该材料可用于洗车废水处理。
本发明相对于现有技术而言,具有以下有益效果:
1)本发明采用喷涂的方法在泡沫镍基体上负载一层含有二氧化钛和硅酸盐的液膜,然后再通过酸处理和碱处理,使得该液膜形成老化硅胶。最终得到的硅胶呈多孔状,二氧化钛颗粒一方面具有较多的暴露面积,另一方面也能够被老化硅胶牢固地固定在泡沫镍表面,既保证了光催化效率又提高了两者的结合力。
2)与现有的溶胶凝胶法、浸渍提拉法或添加有机粘结剂等方法制得的二氧化钛薄膜相比,本发明制作过程中得到的硅胶不会被降解、形成的硅胶薄膜为多孔结构,可提高二氧化钛与水接触的比表面积,提高传质效果,得到的泡沫镍具有更高的光催化活性,相同时间内对有机物的降解效率大大提高.
3)本发明的制备方法工序简单无需昂贵仪器,制造效率高、成本低。该材料可广泛应用于分解空气中的污染物,改善生活环境,提高空气质量,也可用于降解废水中的有机污染物,有望大规模的应用于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
本发明中的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其方法步骤如下:
第一步:采用纳米二氧化钛为负载催化剂,硅酸盐作为固化剂,将两者与稀释剂一起进行混合,同时加入分散剂用于促进纳米二氧化钛的分散。各组分按比例混合后置于超声环境下进行超声分散,使其形成均一的分散液。该分散液是一种水相的悬浮液。
在实际配制过程中,二氧化钛可以采用颗粒大小为1~100nm锐钛矿二氧化钛粉末。分散剂可以采用甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其它醇类,分散剂的用量以能够使纳米二氧化钛以纳米级颗粒状态均匀分散,不团聚为准,使用量为二氧化钛使用量的0.5~10倍,可根据实际试验进行调整。硅酸盐固化剂可以选用硅酸钠、硅酸钾等,其作用是作为后续生成硅胶的前驱体,用量不宜过多也不宜过少,应当与二氧化钛和稀释剂形成合理配比,使得后续酸化形成硅胶后能够牢固粘结二氧化钛,又不至于过厚导致二氧化钛暴露不足。纳米二氧化钛、硅酸盐和稀释剂的比例优选为1:(2~10):(5~50),可根据具体试验调整。
当然,上述纳米二氧化钛、分散剂、硅酸盐和稀释剂在需要时,也可以采用其他能够实现相似功能的材料进行替代。
第二步:配制得到分散液后,将该分散液装入喷枪中,通过喷涂方式均匀地在泡沫镍基底上形成覆膜,干燥后得到硅酸盐负载的泡沫镍。
本发明中,泡沫镍可以自制,也可以采用市售商品。泡沫镍的厚度优选为 0.5~3mm,2.54cm的长度内孔的数目(PPI)为20-300,孔隙率应当大于90%,体密度仅为镍的五十分之一。这种材料比表面积极大,有较强的耐腐蚀性,仍保持金属镍的良好理化性质。纳米二氧化钛负载在泡沫镍表面,表面接触面积大,在紫外光源照射下,具有良好的光催化活性。
由于本发明中的分散液并非胶状,因此传统的浸渍提拉法或涂覆方式也不适用于水相分散液。而且试验发现,喷涂相对于传统的浸渍提拉法或涂覆有机粘结剂的方式,能够更好地对二氧化钛颗粒进行分散。在喷涂过程中,喷射流量、喷枪与泡沫镍的距离、喷枪移动速度均可进行调整。距离过近容易造成分散性不足,过远容易导致浪费,距离调整应当以能够均匀喷涂与泡沫镍上为准。移动速度和喷射流量会影响负载量,应当通过多次试验调整至最佳值。优选的,喷枪距离泡沫镍的距离为5~100cm,移动速度为1~100cm/min。
第三步:将硅酸盐负载的泡沫镍浸泡于酸性溶液中对硅酸盐进行中和,使硅酸盐与酸反应生成硅酸胶体,在泡沫镍表面形成多孔的、不溶于水的硅胶薄膜。
酸性溶液可以是弱酸或者稀释后的强酸,例如醋酸、磷酸、稀盐酸、稀硫酸等。优选采用醋酸,能够形成对二氧化钛粒子具有较强粘合力的硅胶薄膜。酸性溶液的pH不能过低,否则容易导致泡沫镍被破坏,当然也不能太高,必须保证一定的酸度中和硅酸盐,因此pH优选为2~6,进一步优选为2。浸泡时间可根据需要调整,优选为1~3h,以较好的形成硅胶薄膜为准。
在中和之前,硅酸盐是呈水相的,水相对二氧化钛颗粒没有太大的粘稠度,因此二氧化钛颗粒会在喷涂结束后部分暴露于液膜表面,在后续的酸液浸泡过程中液膜逐渐胶化,对二氧化钛粒子和泡沫镍均形成稳定、强力的粘结,二二氧化钛依然保持原有形态暴露在硅胶薄膜表面,保证其光催化活性。
第四步:酸液浸泡完毕后,取出泡沫镍,用清水洗净,然后再次浸泡于碱性溶液中。此步骤的作用是使硅胶老化,提供硅胶粘结层的稳定性和牢固度,最终得到表面附着有二氧化钛老化硅胶的改性泡沫镍。在二氧化钛老化硅胶是以多孔薄膜形式附着在泡沫镍表面的,二氧化钛纳米粒子部分嵌入薄膜中,部分暴露在薄膜表面。
碱性溶液可以选择能够使硅胶老化的试剂,优选为NaOH溶液。碱性溶液 pH不能过高也不能过低,优选控制在8~12,浸泡时间优选控制在1~24h,以保证老化完成为准。
最终改性泡沫镍上的二氧化钛硅胶附着量应当控制在适当的范围,过低会导致有效成分过少,光催化效率较低,但试验发现过多也会导致粘结力不足,颗粒在曝气或超声振动环境下脱落严重,失效较快。经过试验,优选改性泡沫镍上的二氧化钛硅胶附着量优选控制在0.02~0.5g/dm2。
上述方法制备得到的负载纳米二氧化钛的泡沫镍,既可以作为光催化材料进行空气处理,提高空气质量,也可以作为光催化材料进行污水处理,降解废水中的有机污染物。下面以水处理材料为例,通过若干实施例对其效果进行进一步说明。
实施例1
本实施例中,按照下述方法制备负载纳米二氧化钛的泡沫镍:
1)取泡沫镍作为基材,厚度2.0mm,内孔数目(PPI)200,孔隙率95%;
2)按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:6:15进行配比,取纳米级锐钛矿二氧化钛7.875g,硅酸钠47.25ml,水118.125ml,乙醇8ml,锥形瓶中混合配成溶液,将配制好的溶液置于超声波清洗器中,超声工作频率40Khz±10%,超声30min,形成均一的分散液。
3)将超声后的分散液装入喷枪中,然后对泡沫镍进行喷涂。喷枪距离泡沫镍的距离为20cm,移动速度为22cm/min,通过喷涂在泡沫镍表面形成一层含有二氧化钛颗粒的液膜。泡沫镍自然干燥6h后。
4)将干燥后的泡沫镍置于温度为25℃、pH=2的醋酸中,浸泡180min,使硅酸钠与醋酸反应,生成胶状的硅酸附着于泡沫镍表面。取出用清水洗涤至洗液呈中性,然后再将洗涤后的泡沫镍放入25℃、pH=8的NaOH溶液中浸润24h,取出用自来水洗涤并浸泡30min,自然干燥即得到改性泡沫镍。测定其质量相对于原始泡沫镍增加量为0.085g/dm2,此增加量即为二氧化钛和老化硅胶薄膜的负载量。
实施例2
本实施例中,与实施例1的区别仅在于二氧化钛:硅酸钠:水的配比不同,按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:1:10进行配比,最终得到改性泡沫镍。
实施例3
本实施例中,与实施例1的区别仅在于二氧化钛:硅酸钠:水的配比不同,按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:1:20进行配比。其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例4
本实施例中,与实施例1的区别仅在于二氧化钛:硅酸钠:水的配比不同,按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:6:50进行配比。其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例5
本实施例中,与实施例1的区别仅在于二氧化钛:硅酸钠:水的配比不同,按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:0.5:15进行配比。其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例6
本实施例中,与实施例1的区别仅在于二氧化钛:硅酸钠:水的配比不同,按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:6:200进行配比。其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例7
本实施例中,与实施例1的区别仅在于二氧化钛:硅酸钠:水的配比不同,按二氧化钛:硅酸钠:水(g:ml:ml)=1:6:8进行配比。其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例8
本实施例中,与实施例1的区别仅在于将硅酸钠替换为硅酸钾,其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例9
本实施例中,与实施例1的区别仅在于将醋酸替换为磷酸,其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
实施例10
本实施例中,与实施例1的区别仅在于将醋酸替换为pH=2的稀盐酸,其余做法均相同,最终得到改性泡沫镍。
利用上述实施例值得的改性泡沫镍A~I,置于反应器中,在好氧曝气状况下,分别对相同的洗车废水(过滤处理后)进行光催化深度处理,每日定时取样观察对COD的处理效果。
对于实施例1制备的泡沫镍,在2019.3.7—2019.4.9期间,连续处理一个月后发现,在前半个月COD的每日最佳去除率始终保持在90%以上,半个月后每日最佳去除率略有下降,但也都保持在75%以上。一个月中COD的每日平均去除率一直保持在55%-60%左右,表明其具有很好的光催化效率,同时二氧化钛稳定性较好,大大降低了因脱落流失导致的失效现象。由此表明,该实施例的配比比例下二氧化钛粘着效果最好,泡沫镍重复使用的时间最长。
实施例2~5制备的泡沫镍,也具有较好的COD光催化降解效果,但总体低于实施例1。其原因可能是其组分配比失调,导致二氧化钛颗粒有效组分过少,光催化效率较低;同时分散液过于稀释,导致颗粒与硅胶薄膜之间的粘结力不足,在曝气过程中出现部分脱落。
实施例6制备的泡沫镍,其在运行初期对COD的每日最佳去除率仅为32%,可能是二氧化钛颗粒有效组分过少的原因。
实施例7制备的泡沫镍,其在运行前三天,对COD的每日最佳去除率保持在90%以上,但随着时间推移迅速下降,一周后基本不存在COD去除效率。其原因可能是二氧化钛和硅酸钠在分散液中占比过大,喷涂后的薄膜的负载量过大,因此薄膜本身以及薄膜上的二氧化钛颗粒在曝气的强烈搅动下大量脱落,失去光催化效果。这在反应器底部沉淀中也得到了证实,在运行过程中可以在反应器底部发现大量颗粒状的二氧化钛沉积,表明其出现了脱落。
实施例8~10制备的泡沫镍,其总体效果也较好,起到与实施例1类似的稳定、高效的COD降解效果,总体略低于实施例1。
综上所述,本发明针对二氧化钛薄膜与固载载体的粘着性差的问题,采用喷涂的方法在泡沫镍基体上负载一层结合力好的二氧化钛硅胶的多孔薄膜,大大增加了二氧化钛的负载量,同时显著提高负载涂层的结合力。当用一定波长的紫外光对该泡沫镍进行有机物的光降解实验时,与浸渍提拉法或添加有机粘结剂等方法制得的二氧化钛薄膜对照组相比,本发明得到的泡沫镍具有更高的光催化活性,相同时间内对有机物的降解效率大大提高,并且该方法的成本较低,工序简单无需昂贵仪器,重复利用率高,可广泛应用于分解空气中的污染物,改善生活环境,提高空气质量,也可用于降解废水中的有机污染物,有望大规模的应用于工业化生产。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,步骤如下:
S1:将纳米二氧化钛、分散剂、硅酸盐和稀释剂混合后,超声分散,得到均一的分散液;
S2:将所述分散液喷涂在泡沫镍基底上形成覆膜,干燥后得到硅酸盐负载的泡沫镍;
S3:将所述硅酸盐负载的泡沫镍浸泡于酸性溶液中对硅酸盐进行中和,然后再取出浸泡于碱性溶液中老化,得到表面附着有二氧化钛老化硅胶的改性泡沫镍。
2.如权利要求1所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,纳米二氧化钛为粒径1~100nm的锐钛矿二氧化钛;所述泡沫镍的厚度0.5~3mm,内孔数目为20~300,孔隙率大于90%。
3.如权利要求1所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,所述的分散剂优选为醇类,所述的硅酸盐优选为硅酸钠或硅酸钾,所述的稀释剂优选为水。
4.如权利要求3所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,所述醇类为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的至少一种。
5.如权利要求1所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,纳米二氧化钛、硅酸盐和稀释剂的比例为1:(2~10):(5~50),所述分散剂的投加量优选为纳米二氧化钛的0.5~10倍。
6.如权利要求1所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,所述的酸性溶液的pH为2~6,浸泡时间为1~3h;所述的碱性溶液pH为8~12,浸泡时间为1~24h。
7.如权利要求1或6所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,所述的酸性溶液优选为醋酸,所述的碱性溶液优选为NaOH溶液。
8.如权利要求1所述的负载纳米二氧化钛的泡沫镍制备方法,其特征在于,所述改性泡沫镍上的二氧化钛老化硅胶附着量为0.02~0.5g/dm2。
9.一种如权利要求1~7任一所述方法制备的负载纳米二氧化钛的泡沫镍。
10.一种如权利要求9所述负载纳米二氧化钛的泡沫镍的用途,其特征在于,用于作为光催化材料进行污水处理或空气处理。
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