CN110479233A - 用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒及制备方法，属于催化材料技术领域，用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒，其特征在于所述光触媒颗粒包括以下组分及重量份含量：凹凸棒土30～50份、沸石粉10～20份、锯末20～30份、玻璃鳞片10～20份、光触媒复合材料1～5份；制备方法包括以下步骤：备料、玻璃鳞片疏水处理、过筛、混料造粒、煅烧、光触媒复合材料水溶液配制、浸渍和过滤烘干，本发明的有益效果是:光触媒颗粒中含有丰富的孔道结构并错综复杂的排列着玻璃鳞片，对其表面的光线进行反复折射或反射，使紫外光与孔道内的光触媒充分反复的接触，为孔道内的光触媒发挥光催化作用提供更多的能量，提高紫外线的利用率。
Description
技术领域：
本发明属于催化材料技术领域，更具体地涉及用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒及制备方法。
背景技术：
在紫外光照下，在催化材料表面产生的羟基自由基·OH、超氧离子·O2-、氢过氧基·HO2等活性基团，能够将有机物直接氧化为CO2和H2O等无机小分子。这一过程可在常温下进行、可利用太阳光、催化剂来源广、无二次污染。
光催化材料是光催化过程中的关键因素，纯TiO2作为光催化剂存在两个主要的限制因素：
其一，TiO2本身有着3.2eV的禁带宽度，这使得它的吸收范围绝大部分落在了紫外区域，对可见光只有很少一部分的吸收，这就限制了纯TiO2对太阳光的利用率；
其二，TiO2本身作为半导体，电子迁移能力很低，导致了其形成空穴-电子对的能力很低且空穴-电子对形成之后复合率很高，由于空穴有很强的氧化能力，空穴的减少势必会导致光催化反应活性的降低。通常，在纯TiO2上负载贵金属Pd、Au等是一种改进的方法，但是贵金属的价格较高限制了该方法的应用。
具有吸附效果的颗粒如活性炭、竹炭、椰壳炭等也常用作空气净化，但以上材料对废气仅有吸附作用，不仅容易达到吸附饱和，而且在很多情况下易再次解析将废气释放进空气中，从而达不到吸附效果。
发明内容：
针对以上不足，本发明制备一种颗粒材料，具有三维孔道和镜片结构，能够大幅度提高紫外光的利用率，此外，不仅能够快速吸附有害气体，还有将吸附的有害气体快速分解的效果。
本发明解决上述技术问题的具体技术方案为：用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒，其特征在于所述光触媒颗粒包括以下组分及重量份含量：
凹凸棒土30～50份、沸石粉10～20份、锯末20～30份、玻璃鳞片10～20份、光触媒复合材料1～5份。
进一步地，所述的光触媒复合材料为氧化石墨烯/二氧化钛复合材料。
用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按照所述组分及重量份含量备料；
(2)玻璃鳞片疏水处理：将玻璃鳞片浸泡在硅烷偶联剂中，玻璃鳞片与硅烷偶联剂的体积比为1:2，300-1500r/min转速下搅拌1-5h后过滤并自然晾干，得到疏水耐沾污的玻璃鳞片粉末；
(3)过筛：将凹凸棒土、沸石粉过100目筛网，玻璃鳞片及锯末过50目筛网，备用；
(4)混料造粒：将凹凸棒土30～50份、沸石粉10～20份、锯末20～30份、玻璃鳞片10～20份置入圆锅造粒机中进行造粒，所造颗粒直径为5-10mm；
(4)煅烧：将上诉颗粒在150-300℃下进行煅烧处理，得到多孔的颗粒；
(5)光触媒复合材料水溶液配制：将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料分散于去离子水中，浓度为1mg/ml-40mg/ml，常温下超声处理1-4h；
(6)浸渍：将步骤(4)中煅烧好的多孔颗粒浸入步骤(5)制备的水溶液中，二者体积比为1:2-1:5，浸泡过程中需分散机100-200r/min持续搅拌0.5-2h；
(7)过滤烘干：将步骤(6)所得的混合液过滤，烘干后可得到一种多孔的用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒。
进一步地，所述氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备工艺如下：
a、将二氧化钛粉体加入到氧化石墨烯分散液中，得到混合溶液，其中TiO2与氧化石墨烯的质量比为:10：1-1:10；
b、将混合溶液进行超声处理，100w功率下超声2-8h；
c、将超声处理后的混合溶液进行喷雾干燥得到氧化石墨烯/二氧化钛复合材料。
本发明的有益效果是：
1.本发明所制备的光触媒颗粒中含有丰富的孔道结构并错综复杂的排列着玻璃鳞片，玻璃鳞片经过表面处理，造粒时依然可以保证其表面洁净，当有紫外光照射在光触媒颗粒表面时，光线会通过颗粒的孔道结构到达颗粒内部，从而照射到内置的玻璃鳞片表面，此时错综复杂的玻璃鳞片对其表面的光线进行反复折射或反射，使紫外光与孔道内的光触媒充分反复的接触，为孔道内的光触媒发挥光催化作用提供更多的能量，大大提高紫外线的利用率，从而能大幅度提升其光催化效果。
2.选用锯末为造孔剂，在高温下煅烧，残留物为活性炭，具有一定的吸附效果，与凹凸棒土、沸石粉协同发挥吸附作用，将废气富集在颗粒表面，提高废气与光触媒的接触几率，增强其降解效果。
3.本工艺简单易操作，所做产品可做成材料包、内设紫外灯的空气净化器或工业废气处理装置，应用范围广。
具体实施方式：
在本发明的描述中具体细节仅仅是为了能够充分理解本发明的实施例，但是作为本领域的技术人员应该知道本发明的实施并不限于这些细节。另外，公知的结构和功能没有被详细的描述或者展示，以避免模糊了本发明实施例的要点。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的具体实施方式：
实施例1：
(1)按照组分及重量份含量备料：
(2)玻璃鳞片疏水处理：将玻璃鳞片浸泡在硅烷偶联剂中，玻璃鳞片与硅烷偶联剂的体积比为1:2，300:r/min转速下搅拌5h后过滤并自然晾干，得到疏水耐沾污的玻璃鳞片粉末；
(3)过筛：将凹凸棒土、沸石粉过100目筛网，玻璃鳞片及锯末过50目筛网，备用；
(4)混料造粒：将凹凸棒土30份、沸石粉20份、锯末30份、玻璃鳞片20份置入圆锅造粒机中进行造粒，喷淋适量去离子水直至所造颗粒直径为5mm；(4)煅烧：将上述颗粒在150℃下进行煅烧处理，得到多孔的颗粒；
(5)光触媒复合材料水溶液配制：将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料分散于去离子水中，浓度为40mg/ml，常温下超声处理4h；
(6)浸渍：将步骤(4)中煅烧好的多孔颗粒浸入步骤(5)制备的水溶液中，二者体积比为1:2，浸泡过程中需分散机100r/min持续搅拌2h；
(7)过滤烘干：将步骤(6)所得的混合液过滤，120℃烘干后得到目标产品。
实施例2：
(1)按照组分及重量份含量备料：
(2)玻璃鳞片疏水处理：将玻璃鳞片浸泡在硅烷偶联剂中，玻璃鳞片与硅烷偶联剂的体积比为1:2，1500r/min转速下搅拌1h后过滤并自然晾干，得到疏水耐沾污的玻璃鳞片粉末；
(3)过筛：将凹凸棒土、沸石粉过100目筛网，玻璃鳞片及锯末过50目筛网，备用；
(4)混料造粒：将凹凸棒土50份、沸石粉10份、锯末20份、玻璃鳞片20份置入圆锅造粒机中进行造粒，喷淋适量去离子水直至所造颗粒直径为10mm；
(5)煅烧：将上诉颗粒在300℃下进行煅烧处理，得到多孔的颗粒；
(6)光触媒复合材料水溶液配制：将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料分散于去离子水中，浓度为1mg/ml，常温下超声处理1h；
(7)浸渍：将步骤(4)中煅烧好的多孔颗粒浸入步骤(5)制备的水溶液中，二者体积比为1:5，浸泡过程中需分散机200r/min持续搅拌0.5h；
(8)过滤烘干：将步骤(6)所得的混合液过滤，120℃烘干后得到目标产品。
实施例3：
(1)按照组分及重量份含量备料：
(2)玻璃鳞片疏水处理：将玻璃鳞片浸泡在硅烷偶联剂中，玻璃鳞片与硅烷偶联剂的体积比为1:2，800r/min转速下搅拌2h后过滤并自然晾干，得到疏水耐沾污的玻璃鳞片粉末；
(3)过筛：将凹凸棒土、沸石粉过100目筛网，玻璃鳞片及锯末过50目筛网，备用；
(4)混料造粒：将凹凸棒土45份、沸石粉15份、锯末25份、玻璃鳞片15份置入圆锅造粒机中进行造粒，喷淋适量去离子水直至所造颗粒直径为8mm；
(4)煅烧：将上述颗粒在200℃下进行煅烧处理，得到多孔的颗粒；
(5)光触媒复合材料水溶液配制：将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料分散于去离子水中，浓度为30mg/ml，常温下超声处理2h；
(6)浸渍：将步骤(4)中煅烧好的多孔颗粒浸入步骤(5)制备的水溶液中，二者体积比为1:3，浸泡过程中需分散机150r/min持续搅拌1h；
(7)过滤烘干：将步骤(6)所得的混合液过滤，120℃烘干后得到目标产品。
对比例1：为了更加直观的展现本发明的工艺优势，特以本发明采用“玻璃鳞片疏水处理”方法和采用单一变量采用“添加不经过特殊处理玻璃鳞片”的方法进行对比：
对比例2：为了更加直观的展现本发明的工艺优势，特以本发明采用玻璃鳞片疏水处理方法和采用单一变量采用“不添加处理玻璃鳞片”的方法进行对比；
对比例3：为了更加直观的展现本发明的工艺优势，特以本发明采用光触媒复合材料浸渍方法和采用单一变量采用“不添加光触媒复合材料”的方法进行对比；
对比例4：为了更加直观的展现本发明的工艺优势，特以本发明采用光触媒复合材料浸渍方法和采用单一变量采用光触媒复合材料一锅法的方法进行对比，具体步骤为：
(1)按照组分及重量份含量备料：
(2)玻璃鳞片疏水处理：将玻璃鳞片浸泡在硅烷偶联剂中，玻璃鳞片与硅烷偶联剂的体积比为1:2,1500r/min转速下搅拌1h后过滤并自然晾干，得到疏水耐沾污的玻璃鳞片粉末。
(3)过筛：将凹凸棒土、沸石粉过100目筛网，玻璃鳞片及锯末过50目筛网，备用。
(4)混料造粒：将凹凸棒土50份、沸石粉10份、锯末20份、玻璃鳞片20份、光触媒复合材料5份一并置入圆锅造粒机中进行造粒，喷淋适量去离子水直至所造颗粒直径为10mm。
(5)煅烧：将上述颗粒在300℃下进行煅烧处理，得到目标产品。
对比例5：采用常规的活性炭进行检测；
对比例6：采用常规的活性炭；采用援引的方式，将本发明中的光触媒复合材料通过浸渍的方式处理后进行检测；
为了更加直观的展现本发明的产品优势，将上述实施例和对比例中得到的产品按以下方式进行性能检测，检测方法如下：
1)准备10个洁净、干燥的体积为10L的长方体形玻璃缸，分别编号为空白、实施例1、2、3，对比例1-6，将以上10个玻璃缸放在同一实验室内的自然环境下；
2)在除空白箱以外的9个玻璃缸内均放入5g通过不同实施方案得到的产品，盖上密封玻璃盖，玻璃盖上有直径为1.5cm的小孔；
3)分别向10个玻璃缸内通过微量注射器注入20μL浓度为1％甲醛溶液，并迅速将小孔密封；
4)静置2h后采用甲醛测试仪对各玻璃箱中的残余甲醛浓度进行检测；
5)计算甲醛降解率：甲醛降解率＝1-(实验箱甲醛残余浓度2h/空白箱甲醛残余浓度2h)×100％。试验结果如下：
表1：不同处理方式对紫外线吸附效果的检测结果
上述结果分析可知：
本发明的各个实施例中各产品的甲醛降解率为56.9％-66.4％，远高于各对比例中的产品，这主要是由于采用本发明的方法，先将玻璃鳞片进行表面疏水处理，使其在造粒过程中能够始终保持表面洁净；以锯末为造孔剂，经过高温处理后锯末变为活性炭，同时锯末燃烧过程中产生的气体使得颗粒内部产生三维孔道结构；采用浸渍工艺将氧化石墨烯/光触媒复合材料包覆在颗粒孔道内部及颗粒表面；凹凸棒土、沸石粉本身具有良好的吸附作用，成型后对甲醛有锚定作用。基于以上结构的特点，当外界紫外光照射在本方法制备的颗粒表面时，紫外光会通过颗粒孔道结构进入至孔道的内部，同时孔道内错综复杂的玻璃鳞片会对照射在其表面的紫外光进行反复的折射和反射，大大的提高紫外光与孔道内部附着的光触媒复合材料的接触几率，使其更充分的发挥光催化作用。
与对比例1相比：对比例1中的玻璃鳞片没有经过表面处理，在造粒过程中玻璃表面会大量附着凹凸棒土、沸石粉或锯末，从而失去对光的折、反射作用，紫外线利用率较低；
与对比例2相比：对比例2中没有添加玻璃鳞片，因此孔道内的紫外光线也无法得到充分利用，无法达到良好的光催化效果；
对比例3中所制备的材料由于不含有光催化材料，因此其对甲醛仅有吸附作用，没有降解作用；
对比4中的造粒过程采用一锅法，导致光触媒复合材料被凹凸棒土、沸石粉、锯末等辅助成型材料严重包裹，因此也很难发挥光催化效果；
对比例5为活性炭，而活性炭对甲醛仅有吸附作用，不具备分解效果；
对比例6中在活性炭上负载光触媒复合材料，但其紫外线利用率较低，也很难达到较高的分解效果。
综上所述：1、本发明所制备的光触媒颗粒中含有丰富的孔道结构并错综复杂的排列着玻璃鳞片，玻璃鳞片经过表面处理，造粒时依然可以保证其表面洁净，当有紫外光照射在光触媒颗粒表面时，光线会通过颗粒的孔道结构到达颗粒内部，从而照射到内置的玻璃鳞片表面，此时错综复杂的玻璃鳞片对其表面的光线进行反复折射或反射，使紫外光与孔道内的光触媒充分反复的接触，为孔道内的光触媒发挥光催化作用提供更多的能量，大大提高紫外线的利用率，从而能大幅度提升其光催化效果。
2、选用锯末为造孔剂，在高温下煅烧，残留物为活性炭，具有一定的吸附效果，与凹凸棒土、沸石粉协同发挥吸附作用，将废气富集在颗粒表面，提高废气与光触媒的接触几率，增强其降解效果。
3.本工艺简单易操作，所做产品可做成材料包、内设紫外灯的空气净化器或工业废气处理装置，应用范围广。
Claims (4)
1.一种用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒，其特征在于所述光触媒颗粒包括以下组分及重量份含量：
凹凸棒土30～50份、沸石粉10～20份、锯末20～30份、玻璃鳞片10～20份、光触媒复合材料1～5份。
2.根据权利要求1所述的用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒，其特征在于所述的光触媒复合材料为氧化石墨烯/二氧化钛复合材料。
3.一种根据如权利要求1或2所述的用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按照所述组分及重量份含量备料；
（2）玻璃鳞片疏水处理：将玻璃鳞片浸泡在硅烷偶联剂中，玻璃鳞片与硅烷偶联剂的体积比为1:2，300-1500r/min转速下搅拌1-5h后过滤并自然晾干，得到疏水耐沾污的玻璃鳞片粉末；
（3）过筛：将凹凸棒土、沸石粉过100目筛网，玻璃鳞片及锯末过50目筛网，备用；
（4）混料造粒：将凹凸棒土30～50份、沸石粉10～20份、锯末20～30份、玻璃鳞片10～20份置入圆锅造粒机中进行造粒，所造颗粒直径为5-10mm；
（4）煅烧：将上诉颗粒在150-300℃下进行煅烧处理，得到多孔的颗粒；
（5）光触媒复合材料水溶液配制：将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料分散于去离子水中，浓度为1mg/ml-40mg/ml，常温下超声处理1-4h；
（6）浸渍：将步骤（4）中煅烧好的多孔颗粒浸入步骤（5）制备的水溶液中，二者体积比为1:2-1:5，浸泡过程中需分散机100-200r/min持续搅拌0.5-2h；
（7）过滤烘干：将步骤（6）所得的混合液过滤，烘干后可得到一种多孔的用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒。
4.根据权利要求3所述的用于净化空气的高紫外光利用率的光触媒颗粒的制备方法，其特征在于所述氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备工艺如下：
a、将二氧化钛粉体加入到氧化石墨烯分散液中，得到混合溶液，其中TiO2与氧化石墨烯的质量比为:10：1-1:10；
b、将混合溶液进行超声处理，100w功率下超声2-8h；
c、将超声处理后的混合溶液进行喷雾干燥得到氧化石墨烯/二氧化钛复合材料。
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