CN1283355C - 空气净化用复合光催化材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于净化空气的光催化净化复合材料的制备方法。该方法是以钛酸酯为原料溶胶—凝胶法制备二氧化钛溶胶，或纳米二氧化钛粉末在水中超声分散制备二氧化钛悬浮液，然后加入活性炭进行水热处理，制备含二氧化钛/活性炭复合催化剂的悬浮液；然后与制纸工艺结合，在纸的干燥工段前喷涂在纸上，经过干燥，压制成波纹形状，制备成二氧化钛为主要催化剂、活性炭为载体、纸为支承体的吸附型复合光催化净化材料。本发明的材料在封闭或半封闭空间中，经紫外光照射，通过光催化反应将空气中常见的挥发性有机污染物转化为无害产物。
Description
所属技术领域
本发明所属的技术领域是空气污染治理技术，特别是属于一种用于空气净化用复合光催化材料的制备方法。
背景技术
近年来，纳米半导体光催化技术取得了很大进展，许多纳米半导体材料，如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO2)、硫化镉(CdS)等都被发现能够有效地降解有机或无机污染物，其中二氧化钛具有化学性质稳定、氧化还原性强、抗光阴极腐蚀、难溶、无毒、成本低等优点。有关以二氧化钛为光催化剂的降解污染物的文献有Alberici R.M.，Jardim W.F.在《应用催化》上发表的“二氧化钛气相光催化降解挥发性有机污染物”(Photocatalytic destructionof VOCs in the gas-phase using Titanium Dioxide.Appl.Catal.B：Environ，1997，14，55～68)，目前大多数的研究是使用粉末状光催化剂，然而粉末状光催化剂在使用过程中存在团聚失活、分离与回收困难以及二氧化钛吸附能力较差，光催化效率低等问题。一些研究者进行了二氧化钛粉末载体固定化，此类文献有Yoneyama H.在《物理化学杂志》上发表的“惰性载体在二氧化钛负载化后提高了气相propionaldehyde降解速率的作用”(Effect of inert supports for titaniumdioxide loading on enhancement of photodecomposition rate of gaseouspropionaldehyde.J.Phys.Chem.1995，99(21)，9986～9991)和川岛正荣，中礼司，角田照夫等的专利(除臭器，CN1035438，1989)，这些方法虽然部分解决了粉末固定化问题，但通常所用溶胶—凝胶法制膜及负载，由于干燥过程中晶型转变和体积收缩，所制的膜及负载层容易出现裂纹，与载体粘结不牢等问题，影响着催化剂的催化效率和实用性。
发明内容
本发明的目的是为了克服二氧化钛的吸附能力较差，二氧化钛与载体粘结不牢固，光催化效率较低的不足，而提供一种制备方法，使二氧化钛与载体粘结牢固，提高了吸附能力和光催化效率的空气净化用复合光催化材料。
本发明的空气净化用复合光催化材料的制备方法采用的技术方案是：
利用水热处理法将二氧化钛负载到活性炭上制备二氧化钛/活性炭复合光催化剂悬浮液，然后喷涂在纸上，干燥后，制备成二氧化钛为主要催化剂、活性炭为载体、纸为支承体的吸附型复合光催化净化材料。
所用的二氧化钛为主要催化剂，晶型为锐钛矿型，纯度不小于99％。二氧化钛的制备方法有两种，方法一：由钛酸酯通过溶胶—凝胶法制备二氧化钛溶胶，方法二：纳米二氧化钛粉末在水中超声分散制备二氧化钛悬浮液。溶胶或悬浮液中的二氧化钛的粒径为1～100nm。
二氧化钛与吸附型活性炭复合，活性炭来源煤基或果壳炭。活性炭的粒度小于180目，比表面积在800～1400m2/g。
本发明所用二氧化钛/活性炭的复合催化剂的制备方法，是利用水热处理法制备含二氧化钛/活性炭复合催化剂的悬浮液，即：活性炭与溶胶或悬浮液一起进行水热处理，水热处理的温度为100～200℃，时间为5～15小时。活性炭的加.入量与溶胶或水悬浮液所含的二氧化钛的量的比例为：10～40∶60～90％(质量％)。水热处理法使溶胶中二氧化钛粒子在水热处理过程中实现晶型转变和结晶优异的粒子，这样减少成膜时溶胶的体积收缩，减少裂纹的发生，降低了后续的热处理温度。同时活性炭与溶胶或二氧化钛的悬浮液一起水热处理，提高了二氧化钛在活性炭上的均匀度，增加了二氧化钛与活性炭的粘结性，使复合质量得到改善。
本发明所制备的空气净化用复合光催化材料，是用制备的二氧化钛/活性炭复合光催化剂悬浮液，与制纸工艺结合，在纸干燥工艺前进行喷涂，利用纸浆所用的粘合剂粘结二氧化钛/活性炭复合催化剂，在纸的加热过程同时干燥成形。喷涂在纸面的二氧化钛/活性炭复合催化剂干燥后的量为0.5～1.0mg/cm2。这样制备成二氧化钛为主要催化剂、活性炭为载体、纸为支承体的吸附型复合光催化净化材料，该材料压制成各种形状，用于净化空气污染物。本发明的制备工艺过程见附图1，材料压制后的形状见附图2。
本发明和现有相关技术相比具有显著的特点和进步：
1.在水热处理过程中实现了二氧化钛的晶型转变和粒子熟化，这样可以减少成膜时溶胶的体积收缩，减少裂纹的发生，改善与活性炭的粘结性以及降低了后续的热处理温度。水热处理法使二氧化钛/活性炭复合均匀、牢固、稳定性高。
2.二氧化钛/活性炭空气净化材料具有吸附性能和光催化性能，光催化过程中二氧化钛与活性炭有相互协同作用，活性炭提高了光催化效率，二氧化钛的光催化使活性炭再生，使得材料能长时间的使用。
3.二氧化钛/活性炭复合催化剂与纸的工艺结合，工艺简单，成本降低，以纸为支承体易于加工成形，便于材料的更换。该方法所制备的空气净化材料具有更好的稳定性、催化活性和机械强度。
本发明的光催化净化材料的样品在间歇循环系统进行光催化评价。光催化反应用紫外光作为光源，实验所用的样品量为3g。在通常的实验条件下：温度25±1℃，相对湿度40～45％，进行苯和丁醛的光催化实验，其中苯和丁醛的初浓度为20ppm，本发明的样品对苯的光催化40min的转化率为99％，对丁醛20min的转化率为99％，与样品3对照都提高了一倍的光催化效率，苯的光催化效果见附图3，丁醛的光催化效果见附图4。
附图说明
图1是净化材料的制备工艺流程图。
图2是空气净化材料形状示意图
图3是苯的光催化效果图。横坐标为光照时间(min)，纵坐标为苯的浓度(ppm)。图中●代表样品1，■代表样品2，▲代表样品3。
图4是丁醛的光催化效果图。横坐标为光照时间(min)，纵坐标为丁醛的浓度(ppm)。图中图中●代表样品1，■代表样品2，▲代表样品3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详述：
实施例1
由溶胶制备二氧化钛/活性炭复合空气净化材料
0.1mol(34g)钛酸四丁酯常温搅拌下逐滴加到360ml、1M的硝酸水溶液中，边滴加、边搅拌并控制滴加和搅拌速度，滴完后继续搅拌2h，钛酸四丁酯经过水解形成略呈淡黄色的透明溶胶，放置数小时，分解出的丁醇与溶胶分层，呈淡黄色浮于上层，用分液漏斗分出丁醇层，可得到近无色的溶胶。制备的溶胶加入3g、200目的活性炭粉并加入到耐压容器中，经160℃水热处理10h后，得到二氧化钛/活性炭复合催化剂的悬浮液。与制纸工艺结合，在纸干燥工段前进行喷涂，利用纸浆所用的粘合剂粘结二氧化钛/活性炭复合催化剂，利用纸的加热过程同时干燥成形。得到样品1。
实施例2
由二氧化钛粉末制备二氧化钛/活性炭复合空气净化材料
8g纳米二氧化钛粉末，加入340mL水，超声分散20min，得到白色悬浮液。加入3g、200目的活性炭粉并加入到耐压容器中，经160℃水热处理5h后，得到二氧化钛/活性炭复合催化剂的悬浮液。后面进行与实施例1相同的操作得到样品2。
实施例3
由溶胶制备二氧化钛空气净化材料
用与实施例1相同的方法制备二氧化钛溶胶，不加活性炭进行后续步骤得到样品3。
Claims (4)
1.一种空气净化用复合光催化材料的制备方法，其特征是活性炭与溶胶或悬浮液一起进行水热处理，水热处理的温度为100～200℃，时间为5～15小时，活性炭的加入量与溶胶或水悬浮液所含的二氧化钛的质量比例为10～40∶60～90％；将二氧化钛负载到活性炭上制备二氧化钛/活性炭复合光催化剂悬浮液，然后喷涂在纸上，干燥后，制备成二氧化钛为催化剂、活性炭为载体、纸为支承体的吸附型复合光催化净化材料。
2.根据权利要求1所述的复合光催化材料的制备方法，其特征是二氧化钛为锐钛矿型，纯度不小于99％，二氧化钛的粒径为1～100nm；二氧化钛的制备方法有两种，方法一：由钛酸酯通过溶胶—凝胶法的方法制备二氧化钛溶胶；方法二：纳米二氧化钛粉末在水中超声分散制备二氧化钛悬浮液。
3.根据权利要求1所述的复合光催化材料的制备方法，其特征是活性炭为吸附型活性炭，来源于煤基、果壳炭，活性炭的粒度小于180目，比表面积为800～1400m2/g。
4.根据权利要求1所述的复合光催化材料的制备方法，其特征是制备的悬浮液在纸干燥工艺前进行喷涂，利用纸浆所用的粘合剂粘结二氧化钛/活性炭复合催化剂，在纸的加热过程同时干燥成形，喷涂在纸面的二氧化钛/活性炭复合催化剂干燥后的量为0.5～1.0mg/cm2。
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