CN117303789A - 一种抗雾霾光触媒复合建材骨料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗雾霾光触媒复合建材骨料及其制备方法，抗雾霾光触媒复合建材骨料包含无机陶瓷颜料、改性二氧化钛光触媒、粘结促进剂和填料；所述改性二氧化钛光触媒通过二氧化钛掺杂铈元素和氧化钨并复合氧化石墨烯制得。本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料具有优异的光催化能力，可以有效吸附、处理空气污染物，具有抗雾霾能力，并且在可见光下具有足够的响应能力，光催化效率高，可以有效吸附污染物，粘附性好，可广泛应用于沥青瓦材料中。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种抗雾霾光触媒复合建材骨料及其制备方法。
背景技术
氮氧化物被联合国环境规划署宣布为危害全球的六种化学品之一。氮氧化物污染大气后会直接伤害人体的呼吸系统，有害于人体健康。但只要生物有机物中含有氮，燃烧时都会产生氮氧化物，因此在生产生活及交通运输中会产生很多的氮氧化物。一旦氮氧化物和细颗粒物等污染物的大量排放，超过大气循环能力和承载度，细颗粒物浓度将持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极易出现大范围的雾霾。雾霾天气会严重危害人体健康，因此对于大气污染物的治理至关重要。
光催化技术是1970年代以来一直在研究开发的新兴光化学技术，因其无毒、无害、无腐蚀性、可反复使用等一系列特点，被广泛应用于污染物的治理。光催化材料可在有特定频率光条件下直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的物质，不留任何二次污染。另外，光催化材料还具有广谱性，美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催化得到治理。随着研究的不断深入，其在建材方向的应用也在不断深入。
砂石和混凝土材料是城市建设与发展中使用量最大的基础建设材料，自清洁砂石和混凝土的使用可有效缓解当前城市环境与能源污染问题，据意大利研究每100平方光催化混凝土对环境的贡献相当于种植28棵树木，可为人们提供较为安全洁净的环境。骨料是砂浆或混凝土中起骨架和填充作用的粒状材料，是制备砂浆或混凝土必需的建筑材料之一。骨料一般分为细骨料和粗骨料两类。细骨料一般采用河砂和湖砂等，粗骨料一般采用碎石和卵石等。
目前，应用于建材最广的光催化材料是纳米二氧化钛，纳米二氧化钛在紫外光条件下可进行光催化反应，可用于路面汽车尾气的去除。但现有技术中的光催化材料在可见光下响应能力不足，光催化效率较低并且对于污染物的吸附能力较差。
因此，目前亟需一种在可见光下具有足够的响应能力，光催化效率高并且可以有效吸附污染物的抗雾霾光触媒复合建材骨料。
发明内容
发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种在可见光下具有足够的响应能力，光催化效率高并且可以有效吸附污染物，粘附性好，可广泛应用于沥青瓦材料中的抗雾霾光触媒复合建材骨料及其制备方法。
技术方案：
一种抗雾霾光触媒复合建材骨料，包含无机陶瓷颜料、改性二氧化钛光触媒、粘结促进剂和填料；
所述改性二氧化钛光触媒通过二氧化钛掺杂铈元素和氧化钨并复合氧化石墨烯制得。
本发明中添加改性二氧化钛光触媒，其通过二氧化钛掺杂铈元素和氧化钨并复合氧化石墨烯制得，通过在二氧化钛基础上结合三种材料，通过材料之间优异的相容性和性能之间的互补，可以使二氧化钛在可见光范围内具有优异的响应能力，并提高光催化效率和吸附能力。
进一步地，所述改性二氧化钛光触媒通过以下步骤制备：
(1)氧化石墨烯分散液制备：将氧化石墨烯超声分散在N,N-二甲基甲酰胺中，制得氧化石墨烯分散液；
(2)六氯化钨溶液制备：将六氯化钨溶解于无水乙醇中，磁力搅拌制得六氯化钨溶液；
(3)在反应器中加入无水乙醇和硝酸铈后搅拌混合均匀，在搅拌下缓慢滴加四氯化钛，形成溶胶；
(4)将六氯化钨溶液、氧化石墨烯分散液和步骤(3)产物混合后转移至高压反应器中，升温至140-160℃，反应6-8小时后分离、洗涤、干燥、研磨制得所述改性二氧化钛光触媒。
本发明中添加改性二氧化钛光触媒，其在二氧化钛中掺杂稀土金属铈元素，可以促进电子-空穴的分离，使电子与空穴不易复合，从而显著提高二氧化钛的光催化效率；在二氧化钛中掺杂氧化钨，可以提高二氧化钛在可见光范围内的光化学活性，提高在光催化的响应范围和光催化效率；将二氧化钛与氧化石墨烯均匀、有效复合，一方面可以实现电子与空穴的有效分离，增强二氧化钛的光催化效率，另一方面通过氧化石墨烯巨大的比表面积，可以有效增强材料对空气污染物的吸附能力，提高处理效率。
进一步地，所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液的质量浓度为0.5-1mg/ml；所述步骤(2)中六氯化钨溶液的质量浓度为10-20mg/ml。
进一步地，所述步骤(3)中硝酸铈与四氯化钛的质量比为1：8-12。
进一步地，所述步骤(4)中产物的质量浓度为0.2-0.3g/ml；六氯化钨溶液、氧化石墨烯分散液和步骤(3)产物的体积比为(4-5)：(1-2)：(8-12)。
进一步地，所述填料选自玄武岩颗粒、云母颗粒、硅灰石颗粒或滑石颗粒中的至少一种。
进一步地，所述无机陶瓷颜料选自钴蓝、钴绿、钴黑、铜铬黑、钛镍黄或镉晒红中的至少一种。
进一步地，所述粘结促进剂选自氯丙基三甲氧基硅烷、氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。
本发明中添加粘结促进剂，可以有效提高骨料组分和颜色的稳定性，并且使其与沥青具有优异的粘附能力，可广泛应用于沥青瓦材料中。
进一步地，按总质量分数为100％计，所述各组分的质量百分含量为：
无机陶瓷颜料 1-3％
改性二氧化钛光触媒 1-1.5％
粘结促进剂 0.5-1.5％
余量为填料。
上述任意一项抗雾霾光触媒复合建材骨料的制备方法，包括以下步骤：
(1)用搅拌机将填料与无机陶瓷颜料水剂充分混合后烘干，制得物料；
(2)将物料送入回转窑，在600-700℃下焙烧，制得彩砂；
(3)将彩砂送入混合机，在混合过程中将改性二氧化钛光触媒水剂喷淋到彩砂颗粒表面，充分混合后烘干，重新送入混合机，在混合过程中将粘合促进剂喷淋到物料颗粒表面，充分混合后烘干，制得所述抗雾霾光触媒复合建材骨料。
有益效果：
(1)本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料具有优异的光催化能力，可以有效吸附、处理空气污染物，具有抗雾霾能力。
(2)本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料中添加改性二氧化钛光触媒，其通过二氧化钛掺杂铈元素和氧化钨并复合氧化石墨烯制得，通过在二氧化钛基础上结合三种材料，通过材料之间优异的相容性和性能之间的互补，可以使二氧化钛在可见光范围内具有优异的响应能力，并提高光催化效率和吸附能力。
(3)本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料中添加改性二氧化钛光触媒，其在二氧化钛中掺杂稀土金属铈元素，可以促进电子-空穴的分离，使电子与空穴不易复合，从而显著提高二氧化钛的光催化效率；在二氧化钛中掺杂氧化钨，可以提高二氧化钛在可见光范围内的光化学活性，提高在光催化的响应范围和光催化效率；将二氧化钛与氧化石墨烯均匀、有效复合，一方面可以实现电子与空穴的有效分离，增强二氧化钛的光催化效率，另一方面通过氧化石墨烯巨大的比表面积，可以有效增强材料对空气污染物的吸附能力，提高处理效率。
(4)本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料中添加粘结促进剂，可以有效提高骨料组分和颜色的稳定性，并且使其与沥青具有优异的粘附能力，可广泛应用于沥青瓦材料中。
具体实施方式
以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
氧化石墨烯是从默克购买的796034；市售建材骨料是从山东展飞建筑材料有限公司购买的玄武岩石硝；纳米二氧化钛是从清河县瑞江金属材料有限公司购买的5nm二氧化钛；其余试剂、设备为本技术领域常规试剂和设备。
改性二氧化钛光触媒-1制备
通过以下步骤制备改性二氧化钛光触媒-1：
(1)氧化石墨烯分散液制备：将100mg的氧化石墨烯超声分散在100ml的N,N-二甲基甲酰胺中，制得氧化石墨烯分散液；
(2)六氯化钨溶液制备：将2g六氯化钨溶解于100ml无水乙醇中，磁力搅拌制得六氯化钨溶液；
(3)在四口烧瓶中加入50ml无水乙醇和1g硝酸铈后搅拌混合均匀，在搅拌下缓慢滴加10g四氯化钛，形成溶胶；
(4)将5ml六氯化钨溶液、2ml氧化石墨烯分散液和10ml步骤(3)产物混合后转移至高压反应器中，升温至150℃，反应8小时后分离、洗涤、干燥、研磨制得所述改性二氧化钛光触媒-1。
改性二氧化钛光触媒-2制备
基本同改性二氧化钛光触媒-1制备，所不同的是步骤(4)中六氯化钨溶液改为等量步骤(3)产物。
改性二氧化钛光触媒-3制备
基本同改性二氧化钛光触媒-1制备，所不同的是步骤(4)中氧化石墨烯分散液改为等量步骤(3)产物。
实施例1
通过以下步骤制备抗雾霾光触媒复合建材骨料：
(1)用搅拌机将玄武岩颗粒与钴蓝水剂充分混合后烘干，制得物料；
(2)将物料送入回转窑，在700℃下焙烧，制得彩砂；
(3)将彩砂送入混合机，在混合过程中将改性二氧化钛光触媒-1水剂喷淋到彩砂颗粒表面，充分混合后烘干，重新送入混合机，在混合过程中将氯丙基三甲氧基硅烷喷淋到物料颗粒表面，充分混合后烘干，制得所述抗雾霾光触媒复合建材骨料；
按总质量分数为100％计，所述各组分的质量百分含量为：
钴蓝 1％
改性二氧化钛光触媒-1 1％
氯丙基三甲氧基硅烷 0.5％
余量为玄武岩颗粒。
实施例2
基本同实施例1，所不同的是按总质量分数为100％计，所述各组分及其质量百分含量为：
钴蓝 2％
改性二氧化钛光触媒-1 1.25％
γ-氨丙基三甲氧基硅烷 1％
余量为云母颗粒。
实施例3
基本同实施例1，所不同的是按总质量分数为100％计，所述各组分及其质量百分含量为：
钴蓝 3％
改性二氧化钛光触媒-1 1.5％
氯丙基三乙氧基硅烷 1.5％
余量为硅灰石颗粒。
对比例1
市售建材骨料。
对比例2
基本同实施例1，所不同的是改性二氧化钛光触媒-1改为等量玄武岩颗粒。
对比例3
基本同实施例1，所不同的是改性二氧化钛光触媒-1改为等量纳米二氧化钛。
对比例4
基本同实施例1，所不同的是改性二氧化钛光触媒-1改为等量改性二氧化钛光触媒-2。
对比例5
基本同实施例1，所不同的是改性二氧化钛光触媒-1改为等量改性二氧化钛光触媒-3。
对比例6
基本同实施例1，所不同的是氯丙基三甲氧基硅烷改为等量玄武岩颗粒。
性能测试
将实施例1-3与对比例1-5的产品加工得到直径10cm，厚度3cm混凝土试件。
混凝土试件按重量份的原料配比包括：水泥20份、机制砂60份、建材骨料130份、自来水14份；混凝土试件的制作方法如下：通过将普通硅酸盐水泥、机制砂和人工粗骨料搅拌均匀后，加去自来水拌制成为混凝土浆体，然后将混凝土浆体倒入模具中振动密实，养护28天后切割得到混凝土试件，分别取混凝土试件进行性能检测。
抗压强度检测：按照GB28635-2012《混凝土路面砖》检测混凝土试件的抗压强度。
光催化效率检测：在密闭且透光的实验容器内放置混凝土试件，将混凝土试件分为两组，分别在实验容器的顶部正对着混凝土试件放置氙灯光源(波长>420nm)和紫外灯光源(波长<300nm)，照射40min和120min时检测实验容器内光催化对象浓度的变化。
检测产品在紫外照射和可见光照射下光催化效率；试验采用气体浓度为10ppm的NO为光催化对象；使用型号GASTiger6000复合气体分析仪测量NO的浓度；去除率为NO浓度的变化量。
检测结果如下表：
根据实施例1-3与对比例1的检测结果对比可知，通过本发明的抗雾霾光触媒复合建材骨料所制得的建材具有优异的抗压强度，并可以去除空气污染物，具有抗雾霾能力。
根据实施例1-3与对比例2-3的检测结果对比可知，本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料中添加改性二氧化钛光触媒，具有优异的光催化能力，可以有效去除空气污染物。
根据实施例1-3与对比例4-5的检测结果对比可知，本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料中添加改性二氧化钛光触媒，通过在二氧化钛中掺杂铈元素和氧化钨并复合氧化石墨烯，使其具有优异的光催化能力和在可见光范围内的响应能力，并且具有优异的吸附能力，可以使制得的建材有效去除空气污染物。
稳定性检测：将实施例1-3与对比例1、6的产品在人工气候箱紫外灯照射14天后观察产品颜色变化。
骨料粘附性检测：分别对相同规格的玻纤胎通过涂覆装置在上表面撒布实施例1-3与对比例1-5的产品并压实，制成尺寸相同的沥青瓦，根据GB/T 328.17-2007沥青防水卷材矿物料粘附性的标准检测实施例1-3与对比例1、6的产品在沥青瓦上的颗粒粘附率。
| 颜色变化 | 颗粒粘附率(％) | |
| 实施例1 | 颜色不变 | 93.4 |
| 实施例2 | 颜色不变 | 93.6 |
| 实施例3 | 颜色不变 | 93.7 |
| 对比例1 | 褪色、颜色变浅 | 81.6 |
| 对比例6 | 颜色变浅 | 83.1 |
根据实施例1-3与对比例1的检测结果对比可知，本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料较现有技术中的建材骨料具有更优异的稳定性，并且与沥青瓦的粘附能力强，可广泛应用于沥青瓦材料中。
根据实施例1-3与对比例6的检测结果对比可知，本发明提供的抗雾霾光触媒复合建材骨料中添加粘结促进剂可以增强骨料的稳定性，并且可以提高其与沥青瓦的粘附性。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，包含无机陶瓷颜料、改性二氧化钛光触媒、粘结促进剂和填料；
所述改性二氧化钛光触媒通过二氧化钛掺杂铈元素和氧化钨并复合氧化石墨烯制得。
2.根据权利要求1所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述改性二氧化钛光触媒通过以下步骤制备：
（1）氧化石墨烯分散液制备：将氧化石墨烯超声分散在N,N-二甲基甲酰胺中，制得氧化石墨烯分散液；
（2）六氯化钨溶液制备：将六氯化钨溶解于无水乙醇中，磁力搅拌制得六氯化钨溶液；
（3）在反应器中加入无水乙醇和硝酸铈后搅拌混合均匀，在搅拌下缓慢滴加四氯化钛，形成溶胶；
（4）将六氯化钨溶液、氧化石墨烯分散液和步骤（3）产物混合后转移至高压反应器中，升温至140-160℃，反应6-8小时后分离、洗涤、干燥、研磨制得所述改性二氧化钛光触媒。
3.根据权利要求2所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述步骤（1）中氧化石墨烯分散液的质量浓度为0.5-1mg/ml；所述步骤（2）中六氯化钨溶液的质量浓度为10-20mg/ml。
4.根据权利要求2所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述步骤（3）中硝酸铈与四氯化钛的质量比为1：8-12。
5.根据权利要求2所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述步骤（4）中产物的质量浓度为0.2-0.3g/ml；六氯化钨溶液、氧化石墨烯分散液和步骤（3）产物的体积比为（4-5）：（1-2）：（8-12）。
6.根据权利要求1所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述填料选自玄武岩颗粒、云母颗粒、硅灰石颗粒或滑石颗粒中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述无机陶瓷颜料选自钴蓝、钴绿、钴黑、铜铬黑、钛镍黄或镉晒红中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，所述粘结促进剂选自氯丙基三甲氧基硅烷、氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的抗雾霾光触媒复合建材骨料，其特征在于，按总质量分数为100%计，所述各组分的质量百分含量为：
无机陶瓷颜料 1-3%
改性二氧化钛光触媒 1-1.5%
粘结促进剂 0.5-1.5%
余量为填料。
10.权利要求1-9任意一项所述抗雾霾光触媒复合建材骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用搅拌机将填料与无机陶瓷颜料水剂充分混合后烘干，制得物料；
（2）将物料送入回转窑，在600-700℃下焙烧，制得彩砂；
（3）将彩砂送入混合机，在混合过程中将改性二氧化钛光触媒水剂喷淋到彩砂颗粒表面，充分混合后烘干，重新送入混合机，在混合过程中将粘合促进剂喷淋到物料颗粒表面，充分混合后烘干，制得所述抗雾霾光触媒复合建材骨料。
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| CN202311249847.9A CN117303789A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 一种抗雾霾光触媒复合建材骨料及其制备方法 |
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