CN112718001A - 纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,以复合水凝胶为载体,以Sc‑Er共掺杂二氧化钛的纳米微球为活性成分,其制备方法包括如下步骤:制备Sc‑Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;Sc‑Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到复合水凝胶中,超声混合,其中Sc‑Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为4‑6:100;将复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,在处理印染废水工艺中可对有机物进行吸附和光催化降解,提高了印染废水的处理效率。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域,具体涉及一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂及其应用。
背景技术
由于印染废水具有色度高、有机污染物浓度高(尤其是难降解有机污染物)、碱性大、水量高、水质变化大、成分复杂、化学需氧量COD和生化需氧量BOD 都高、毒性大等特点,其中的有毒有害物质还有在动植物体内的累积效应,不易排出,导致毒性剧烈增加、产生致癌性,危害人类生存环境。因此,印染废水不经处理直接排入江河湖泊,其后果和危害可想而知。所以加强印染废水处理,可缓解我国水资源匮乏的问题,降低环境污染,减少社会危害,对保护人类环境,尤其是水体环境起着至关重要的作用。
目前,国内外对于印染废水治理技术的研究主要集中在吸附法、膜过滤、混凝法、生物法、氧化法。吸附法是利用吸附剂吸附印染废水中的杂质,达到脱色、净化废水的目的,但吸附剂存在具有选择性吸附、再生困难、运行成本高、次生环境问题等缺陷;膜过滤是利用膜过滤水中的非水溶性杂质,使得水质净化,但膜过滤对可溶性污染物无能为力、投资大、再生困难、运行成本高;混凝法是利用絮凝剂将有机污染物进行吸附、絮凝、沉降,以污泥形式将杂质分离出来,废水得到净化,但存在需根据水质的变化改变投料条件、处理的灵活度不大,对亲水性污染物脱色效果较差、COD去除率低、污泥脱水难及占用场地等缺点;生物法主要是利用微生物酶降解有机污染物,实现污水净化的目的;氧化法包括臭氧氧化法、芬顿试剂氧化法、湿式氧化法、催化氧化法等,主要由于其在较短时间内将难降解的有机污染物完全无害化,不产生二次污染,已成为研究热点,其中臭氧法主要存在处理成本高、不适合大流量废水的处理等缺点,芬顿试剂法主要存在反应条件苛刻、酸耗量大、设备易腐蚀等缺点,湿式氧化法需要在高温高压条件下进行,传统的催化氧化法是使用人工光源紫外光激发催化剂的活性净化废水,目前大部分以汞灯、氙灯等作光源、催化效率都不高。
鉴于此,有必要提供一种新的工艺解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术缺陷,提供一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,在处理印染废水工艺中可对有机物进行吸附和光催化降解耦合一体,提高了印染废水的处理效率。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,以复合水凝胶为载体,以Sc-Er 共掺杂二氧化钛的纳米微球为活性成分,其制备方法包括如下步骤:
步骤S1,制备Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分,具体包括如下步骤:
步骤S11,将10-20份四丁基正钛酸酯和20-30份无水乙醇混合,得到混合溶液A;
步骤S12,将8-10份硝酸钪溶于水中,得到硝酸钪溶液;
步骤S13,将硝酸钪溶液加入混合溶液A中,在超声搅拌条件下滴加2-3份硫酸铒,得到混合溶液B;
步骤S14,将混合溶液B进行离心分离,获得的浆液在50-60℃条件下真空干燥2-3h;
步骤S15,干燥后的物料进行煅烧,以3-5℃/min的升温速度,升温至 150-200℃,保温30-60min;然后以6-8℃/min的升温速度,升温至750-800℃, 保温30-60min,得到Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;
步骤S2,以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;
其中,纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子质量比为 3-5:8:1,高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为25-30次;
步骤S3,将步骤S1制备得到的Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到步骤S2制备得到的复合水凝胶中,超声混合,其中Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为4-6:100;
步骤S4,将步骤S3的复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。
进一步地,高压均质法制备复合水凝胶,包括如下步骤:
将纳米纤维素和明胶溶解于热水中,水温为35℃-45℃;
将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子分散于乙醇中,超声分散30-40min;
将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子溶液倒入纳米纤维素和明胶溶液中混合,超声分散25-40min;
将混合溶液转移到高压均质反应釜中,控制高压均质反应腔的压力为 50Mpa,循环次数为25-30次。
进一步地,超声搅拌的频率为30-35Hz。
本发明还提供一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂在印染废水处理中的应用。
相较于现有技术,本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,有益效果在于:
一、本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,对印染废水中的有机物具有吸附和光催化降解双重作用。纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子制备的气凝胶对印染废水中的有机物具有非常好的吸附能力,对有机污染物进行吸附富集的同时进行光催化降解,使催化剂同时具有较强的吸附性能和光催化降解性能,大大提高了催化剂对印染废水的处理效率和降解效果。
二、本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,以复合水凝胶为载体,其中,复合水凝胶由纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子通过高压均质法制备。获得的复合气凝胶比表面积大,孔隙率高,使催化剂具有较强的吸附能力;四氧化三铁纳米粒子由油酸修饰表面,可降低四氧化三铁纳米粒子的表面能,改善其分散性,使活性成分分散更均匀。
三、本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,活性成分为Sc-Er 共掺杂二氧化钛的纳米微球,稀土元素Er掺杂于二氧化钛中,可阻碍二氧化钛锐钛矿相向金红石相转变,可明显抑制二氧化钛晶粒的生长;Sc掺杂可促进二氧化钛晶型转化;且在Sc、Er的协同抑制作用下,使晶型结构规整、粒径均匀,能较好的分散在复合水凝胶中;本发明的活性成分中,Sc-Er共掺杂二氧化钛,提高了在可见光作用下的光催化降解效果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案,并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,以复合水凝胶为载体,以Sc-Er 共掺杂二氧化钛的纳米微球为活性成分,其制备方法包括如下步骤:
步骤S1,制备Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分,具体包括如下步骤:
步骤S11,将10-20份四丁基正钛酸酯和20-30份无水乙醇混合,得到混合溶液A;
步骤S12,将8-10份硝酸钪溶于水中,得到硝酸钪溶液;
步骤S13,将硝酸钪溶液加入混合溶液A中,在超声搅拌条件下滴加2-3份硫酸铒,得到混合溶液B;
步骤S14,将混合溶液B进行离心分离,获得的浆液在50-60℃条件下真空干燥2-3h;
步骤S15,干燥后的物料进行煅烧,以3-5℃/min的升温速度,升温至 150-200℃,保温30-60min;然后以6-8℃/min的升温速度升温至750-800℃,保温30-60min,得到Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;
步骤S2,以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;
具体包括如下步骤:
步骤S21,将纳米纤维素和明胶溶解于热水中,水温为35℃-45℃;
步骤S22,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子分散于乙醇中,超声分散 30-40min;
步骤S23,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子溶液倒入纳米纤维素和明胶溶液中混合,超声分散25-40min;其中纳米纤维、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子的质量比为3-5:8:1;
步骤S24,将混合溶液转移到高压均质反应釜中,控制高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为25-30次;
步骤S3,将步骤S1制备得到的Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到步骤S2制备得到的复合水凝胶中,超声混合,其中Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为4-6:100;
步骤S4,将步骤S3的复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。
以上步骤中,超声搅拌的频率为30-35Hz。
需要说明的是,本发明中,表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子的制备工艺参照现有技术,如下:
表面油酸修饰Fe3O4的制备称取三氯化铁和二氯化铁(摩尔比为2∶1),加入适量水溶解,搅拌30min后,逐滴加入1mol/L的氢氧化钠溶液,将混合溶液的pH值调节至9,再将混合溶液转移到水热反应釜中,在150℃反应12h。待反应完成后,将反应产物取出并抽滤、洗涤、干燥、粉碎,得到黑褐色的Fe3O4纳米粒子。称取干燥后的Fe3O4纳米粒子,加入一定量的油酸,置于60℃下磁力搅拌1h后过滤,用乙醇洗涤干净,真空干燥后得到表面油酸修饰Fe3O4纳米粒子。
同时,复合水凝胶冷冻干燥技术参照现有技术,在此不做赘述。
以下通过具体的实施例对本发明的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂进行详细说明。
实施例1
一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,其制备方法包括如下步骤:
步骤S1,制备Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分,具体包括如下步骤:
步骤S11,将10份四丁基正钛酸酯和20份无水乙醇混合,得到混合溶液A;
步骤S12,将8份硝酸钪溶于水中,得到硝酸钪溶液;
步骤S13,将硝酸钪溶液加入混合溶液A中,在超声搅拌条件下滴加2份硫酸铒,得到混合溶液B;
步骤S14,将混合溶液B进行离心分离,获得的浆液在50℃条件下真空干燥2-3h;
步骤S15,干燥后的物料进行煅烧,以5℃/min的升温速度,升温至150℃,保温30-60min;然后以8℃/min的升温速度,升温至750℃,保温30-60min,得到Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;
步骤S2,以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;
具体包括如下步骤:
步骤S21,将纳米纤维素和明胶溶解于热水中,水温为35℃-45℃;
步骤S22,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子分散于乙醇中,超声分散 30-40min;
步骤S23,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子溶液倒入纳米纤维素和明胶溶液中混合,超声分散25-40min;其中纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子质量比为3:8:1;
步骤S24,将混合溶液转移到高压均质反应釜中,控制高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为25次;
步骤S3,将步骤S1制备得到的Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到步骤S2制备得到的复合水凝胶中,超声混合,其中Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为4:100;
步骤S4,将步骤S3的复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。
实施例2
一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,其制备方法包括如下步骤:
步骤S1,制备Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分,具体包括如下步骤:
步骤S11,将20份四丁基正钛酸酯和30份无水乙醇混合,得到混合溶液A;
步骤S12,将10份硝酸钪溶于水中,得到硝酸钪溶液;
步骤S13,将硝酸钪溶液加入混合溶液A中,在超声搅拌条件下滴加3份硫酸铒,得到混合溶液B;
步骤S14,将混合溶液B进行离心分离,获得的浆液在60℃条件下真空干燥2-3h;
步骤S15,干燥后的物料进行煅烧,以3℃/min的升温速度,升温至200℃,保温30-60min;然后以6℃/min的升温速度,升温至800℃,保温30-60min,得到Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;
步骤S2,以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;
具体包括如下步骤:
步骤S21,将纳米纤维素和明胶溶解于热水中,水温为35℃-45℃;
步骤S22,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子分散于乙醇中,超声分散 30-40min;
步骤S23,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子溶液倒入纳米纤维素和明胶溶液中混合,超声分散25-40min;其中纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子质量比为5:8:1;
步骤S24,将混合溶液转移到高压均质反应釜中,控制高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为30次;
步骤S3,将步骤S1制备得到的Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到步骤S2制备得到的复合水凝胶中,超声混合,其中Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为5:100;
步骤S4,将步骤S3的复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。
实施例3
一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,其制备方法包括如下步骤:
步骤S1,制备Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分,具体包括如下步骤:
步骤S11,将15份四丁基正钛酸酯和25份无水乙醇混合,得到混合溶液A;
步骤S12,将9份硝酸钪溶于水中,得到硝酸钪溶液;
步骤S13,将硝酸钪溶液加入混合溶液A中,在超声搅拌条件下滴加3份硫酸铒,得到混合溶液B;
步骤S14,将混合溶液B进行离心分离,获得的浆液在55℃条件下真空干燥2-3h;
步骤S15,干燥后的物料进行煅烧,以4℃/min的升温速度,升温至175℃,保温30-60min;然后以7℃/min的升温速度,升温至780℃,保温30-60min,得到Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;
步骤S2,以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;
具体包括如下步骤:
步骤S21,将纳米纤维素和明胶溶解于热水中,水温为35℃-45℃;
步骤S22,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子分散于乙醇中,超声分散 30-40min;
步骤S23,将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子溶液倒入纳米纤维素和明胶溶液中混合,超声分散25-40min;其中纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子质量比为4:8:1;
步骤S24,将混合溶液转移到高压均质反应釜中,控制高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为30次;
步骤S3,将步骤S1制备得到的Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到步骤S2制备得到的复合水凝胶中,超声混合,其中Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为6:100;
步骤S4,将步骤S3的复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。
对比例1
以实施例1为基础,取消钪元素掺杂;其他工艺步骤及参数与实施例1相同。
对比例2
以实施例1为基础,取消稀土铒元素掺杂,其他工艺步骤及参数与实施例1 相同。
对比例3
以实施例1为基础,取消钪元素及稀土铒元素掺杂,其他工艺步骤及参数与实施例1相同。
检测将实施例1-3、对比例1-3的复合催化剂的比表面积及孔隙率,检测结果如表1:
表1:实施例1-3、对比例1-3的复合催化剂的性能检测
比表面积(m<sup>2</sup>/g) | 孔隙率(%) | |
实施例1 | 152 | 82 |
实施例2 | 145 | 79 |
实施例3 | 160 | 85 |
对比例1 | 148 | 81 |
对比例2 | 146 | 80 |
对比例3 | 150 | 81 |
将实施例1-3、对比例1-3的复合催化剂用于印染废水处理,进行性能测试。测试方法如下:
取印染废水,测得废水中亚甲基蓝含量为85mg/L,甲苯含量为30mg/L,COD 浓度为1065mg/L;
取实施例1-3、对比例1-3的复合催化剂分别投入相同量的印染废水中,在可见光的照射下搅拌90-120min,然后检测净化后的水质指标,其中催化剂用量为废水量的3%。净化后水质指标如下表:
本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,在可见光照射下,对印染废水具有较高的处理效率,脱色率达98%,COD去除效率达97.5%,甲苯去除率达98%。
相较于现有技术,本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,有益效果在于:
一、本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,对印染废水中的有机物具有吸附和光催化降解双重作用。纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子制备的气凝胶对印染废水中的有机物具有非常好的吸附能力,对有机污染物进行吸附富集的同时进行光催化降解,使催化剂同时具有较强的吸附性能和光催化降解性能,大大提高了催化剂对印染废水的处理效率和降解效果。
二、本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,以复合水凝胶为载体,其中,复合水凝胶由纳米纤维素和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为前驱体,获得的复合水凝胶比表面积大,孔隙率高,使催化剂具有较强的吸附能力。
三、本发明提供的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,活性成分为Sc-Er 共掺杂二氧化钛的纳米微球,稀土元素Er掺杂于二氧化钛中,可阻碍二氧化钛锐钛矿相向金红石相转变,可明显抑制二氧化钛晶粒的生长;Sc掺杂可促进二氧化钛晶型转化;且在Sc、Er的协同抑制作用下,使晶型结构规整、粒径均匀,能较好的分散在复合水凝胶中;本发明的活性成分中,Sc-Er共掺杂二氧化钛,提高了在可见光作用下的光催化降解效果。
以上对本发明的实施方式作出详细说明,但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言,在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,其特征在于,以复合水凝胶为载体,以Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球为活性成分,其制备方法包括如下步骤:
步骤S1,制备Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分,具体包括如下步骤:
步骤S11,将10-20份四丁基正钛酸酯和20-30份无水乙醇混合,得到混合溶液A;
步骤S12,将8-10份硝酸钪溶于水中,得到硝酸钪溶液;
步骤S13,将硝酸钪溶液加入混合溶液A中,在超声搅拌条件下滴加2-3份硫酸铒,得到混合溶液B;
步骤S14,将混合溶液B进行离心分离,获得的浆液在50-60℃条件下真空干燥2-3h;
步骤S15,干燥后的物料进行煅烧,以3-5℃/min的升温速度,升温至150-200℃,保温30-60min;然后以6-8℃/min的升温速度,升温至750-800℃,保温30-60min,得到Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分;
步骤S2,以纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子为原料,通过高压均质法制备复合水凝胶;
其中,纳米纤维素、明胶和表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子质量比为3-5:8:1,高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为25-30次;
步骤S3,将步骤S1制备得到的Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分加入到步骤S2制备得到的复合水凝胶中,超声混合,其中Sc-Er共掺杂二氧化钛的纳米微球活性成分与复合水凝胶的质量比为4-6:100;
步骤S4,将步骤S3的复合水凝胶冷冻干燥,得到纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,其特征在于,高压均质法制备复合水凝胶,包括如下步骤:
将纳米纤维素和明胶溶解于热水中,水温为35℃-45℃;
将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子分散于乙醇中,超声分散30-40min;
将表面油酸修饰的四氧化三铁纳米粒子溶液倒入纳米纤维素和明胶溶液中混合,超声分散25-40min;
将混合溶液转移到高压均质反应釜中,控制高压均质反应腔的压力为50Mpa,循环次数为25-30次。
3.根据权利要求2所述的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂,其特征在于,超声搅拌的频率为30-35Hz。
4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的纳米纤维素基气凝胶复合光催化剂在印染废水处理中的应用。
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GR01 | Patent grant | ||
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