CN1803291A - 一种二氧化钛/活性炭纤维光催化剂及其制备方法和在空气净化中应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空气净化技术领域，公开了一种TiO2/ACF光催化剂及其制备方法，该方法包括如下步骤：在氢氧化钛乳液中加入稀硫酸溶液，搅拌均匀后在超声波中震荡，制得酸化乳液；活性碳纤维用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤，洗涤干净后烘干，浸入上述制得的酸化乳液中，于超声波中震荡后取出，烘干，即可制得加载有氢氧化钛的光催化剂前驱物；将上述光催化剂前驱物在煅烧保温后，制成TiO2/ACF光催化剂。本发明还公开了该TiO2/ACF光催化剂在空气中有害挥发性有机物净化中的应用。本发明制备工艺简单、光催化效率高，价格便宜、具有一定实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于空气净化技术领域，特别涉及一种TiO2(二氧化钛)/ACF(活性炭纤维)固定化光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着生活水平的提高，大量的石油产品及能够产生挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)的日用品、装饰品，尤其是室内装修使用的建筑材料和油漆、涂料等源源不断地进入了人们的居室及工作场所。人们在享受这些产品带来的舒适和满足的同时，它们正不断地产生着各种污染物质和有害物质，破坏室内空气质量。而建筑节能、室内保温、中央空调等，使居室和办公场所的密封性更好，室内产生的污染物很难向室外扩散。长期生活在这样建筑物内的人会出现头痛、呼吸道感染、疲劳嗜睡、发热恶心、皮肤瘙痒和异常性过敏等症状。而且正常人常年有80％～90％以上的时间在室内度过，因此长期处在恶劣的室内环境中所遭受的潜在危害是无法估量的。
利用半导体光催化氧化(photocatalytic oxidation，PCO)的方法降解空气中的VOCs是近年来日益受到重视的一项污染治理新技术。这个过程不需要其它化学助剂，反应条件温和，而且最终产物通常只有CO2和H2O，不会产生二次污染，是一个非常有发展潜力的研究领域。该方法尤其适合于难以或无法生物降解的有毒有机物质。作为光催化剂的物质主要是半导体氧化物，如TiO2、WO3、MgO、Fe2O3、ZnO和CdS等，其中TiO2由于化学性质稳定、抗光腐蚀能力强、成本低、无毒和光催化活性高等优点而最具应用前景。但是相对吸附型的材料而言，TiO2光催化剂的吸附性能比较差，而且空气中的有机污染物浓度也往往比较低，因此很难有效富集到TiO2表面，从而大大影响了TiO2光催化剂对室内外低浓度挥发性有机物的光催化效率，导致光催化降解的效率低下，不能有效实现低浓度挥发性有机物的降解脱毒。
活性炭纤维(activated carbon fiber，ACF)是20世纪70年代发展起来的一种炭质吸附材料，它是继粉状和粒状活性炭之后的第三种形态的活性炭(activated carbon，AC)。ACF直径细，比表面积大(达1000～3000m2/g)，故吸附能力强，吸附容量大，微孔含量大(达90％以上)，孔径小，其平均孔径小于2nm，微孔可以直接与吸附物质接触，使得ACF系统能很快达到吸附，从而能有效地吸附低浓度以至痕量的可吸附物质。但活性炭纤维作为一种吸附剂，达到饱和吸附后，存在和其它活性炭材料必须再生才可恢复其吸附能力的难题。因此，利用在ACF上负载TiO2光催化剂提高光催化降解气态挥发性有机污染物方面的研究报道相对较少，具有非常重要的应用前景，而且对苯和乙醚等为代表的毒害有机物的气相光催化降解的最佳工艺条件未见有报道。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、光催化效率高、价格便宜、具有一定实际应用价值的TiO2/ACF光催化剂材料。
本发明的另一目的在于提供上述TiO2/ACF光催化剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述TiO2/ACF光催化剂在空气净化中的应用。
本发明采用ACF(活性炭纤维)作为载体负载TiO2催化剂，利用它的吸附性能对室内空气中的低浓度有机污染物进行快速吸附，达到污染物在载体上的富集，然后再在负载在ACF上的TiO2催化剂表面进行原位的光催化反应，使低浓度有机污染物进行有效的光催化反应，直至完全转化为无害的二氧化碳、水和简单的无机物，使ACF不断原位再生，该过程高效且无二次污染。
本发明的目的通过下述技术方案实现：TiO2/ACF光催化剂的制备方法包括如下工艺步骤：
(1)在氢氧化钛乳液中按摩尔比氢氧化钛∶硫酸为1∶0.005～0.100加入稀硫酸溶液，搅拌均匀后在超声波中震荡10～60分钟，制得酸化乳液。
(2)活性碳纤维(ACF)用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤，洗涤干净后于50～100C烘干，浸入上述制得的1～10％的酸化乳液(质量体积比)中，于超声波中震荡10～60分钟后取出，在50～100℃烘干，即可制得加载有氢氧化钛的光催化剂前驱物。
(3)将上述光催化剂前驱物在150～350℃煅烧保温2～10h，制成TiO2/ACF光催化剂。
为了更好地实现本发明，所述氢氧化钛乳液的制备方法包括如下步骤：将氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色无定形的絮状沉淀进行过滤、洗涤，将洗涤干净的沉淀进行打浆后得到氢氧化钛乳液。
步骤(1)所述稀硫酸溶液按体积比计蒸馏水∶硫酸为2～10∶1配制。步骤(2)所述活性碳纤维包括活性炭纤维布或活性炭纤维毡等。
如有需要，将步骤(2)制得加载有氢氧化钛的光催化剂前驱物重复步骤(2)的操作，即可制得加载不同层数氢氧化钛的光催化剂前驱物。特别优选的方案是，所述光催化剂前驱物可加载1～6层氢氧化钛。将步骤(2)制得加载有氢氧化钛的光催化剂前驱物重复步骤(2)1～5次，即可相应制得加载有2～6层氢氧化钛的光催化剂前驱物。
本发明所述的TiO2/ACF光催化剂由上述制备方法制备而成。
本发明所述的TiO2/ACF光催化剂在空气净化中的应用，可降解空气中的苯、乙醚等挥发性有机污染物。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明制备工艺简单、光催化效率高，价格便宜、具有一定实际应用价值。ACF具有很大的比表面积，对空气中的有机物具有很大的吸附容量，可以使得空气中的大量的低浓度有机污染物吸附富集在TiO2/ACF上，可以大大提高负载在ACF上的TiO2对空气中低浓度有机污染物的降解效率；且本发明通过添加了硫酸制备了高吸附活性固体超强酸光催化剂，从而可以大大提高其对低浓度有机污染物的降解效率。
附图说明
图1为TiO2/ACF(活性炭纤维布)吸附苯和乙醚动力学图；
图2为TiO2/ACF(活性炭纤维布)光催化降解苯和乙醚动力学图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将氨水加入Ti(SO4)2溶液中，调节溶液pH值为7，将生成的白色无定形的絮状沉淀进行过滤、洗涤，将洗涤干净的沉淀进行打浆后得到氢氧化钛乳液，在氢氧化钛乳液中按摩尔比氢氧化钛∶硫酸为1∶0.005加入稀硫酸溶液(按体积比计蒸馏水∶硫酸为2∶1配制)，搅拌均匀后在超声波中震荡60分钟，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤活性炭纤维布(比表面1000m2/g，苯吸附饱和量35％)2次，洗涤干净后于50℃烘干，浸入上述制得的10％的酸化乳液(质量体积比)中，于超声波中震荡60分钟后取出，在50℃烘干，即可制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物。
(3)将加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物在150℃煅烧保温10h，制成TiO2/ACF光催化剂。
实施例2
(1)将氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色无定形的絮状沉淀进行过滤、洗涤，将洗涤干净的沉淀进行打浆后得到氢氧化钛乳液，在氢氧化钛乳液中按摩尔比氢氧化钛∶硫酸为1∶0.05加入稀硫酸溶液(按体积比计蒸馏水∶硫酸为6∶1配制)，搅拌均匀后在超声波中震荡30分钟，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤活性炭纤维毡(比表面1200m2/g，苯吸附饱和量50％)3次，洗涤干净后于80℃烘干，浸入上述制得的8％的酸化乳液(质量体积比)中，于超声波中震荡30分钟后取出，在80℃烘干，即可制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物。将制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物重复步骤(2)的操作，可制得加载2层氢氧化钛的光催化剂前驱物。
(3)将加载2层氢氧化钛的光催化剂前驱物在350℃煅烧保温2h，制成TiO2/ACF光催化剂。
实施例3
(1)将氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色无定形的絮状沉淀进行过滤、洗涤，将洗涤干净的沉淀进行打浆后得到氢氧化钛乳液，在氢氧化钛乳液中按摩尔比氢氧化钛∶硫酸为1∶0.10加入稀硫酸溶液(按体积比计蒸馏水∶硫酸为10∶1配制)，搅拌均匀后在超声波中震荡60分钟，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤活性炭纤维毡(比表面1200m2/g，苯吸附饱和量50％)1次，洗涤干净后于100℃烘干，浸入上述制得的5％的酸化乳液(质量体积比)中，于超声波中震荡60分钟后取出，在100℃烘干，即可制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物。将制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物重复步骤(2)的操作，可制得加载2层氢氧化钛的光催化剂前驱物，再次重复步骤(2)，即可制得加载3层氢氧化钛的光催化剂前驱物。
(3)将加载3层氢氧化钛的光催化剂前驱物在200℃煅烧保温6h，制成TiO2/ACF光催化剂。
实施例4
(1)将氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色无定形的絮状沉淀进行过滤、洗涤，将洗涤干净的沉淀进行打浆后得到氢氧化钛乳液，在氢氧化钛乳液中按摩尔比氢氧化钛∶硫酸为1∶0.02加入稀硫酸溶液(按体积比计蒸馏水∶硫酸为4∶1配制)，搅拌均匀后在超声波中震荡50分钟，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤活性炭纤维布(比表面1000m2/g，苯吸附饱和量35％，)2次，洗涤干净后于100℃烘干，浸入上述制得的1％的酸化乳液(质量体积比)中，于超声波中震荡50分钟后取出，在100℃烘干，即可制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物。将制得加载1层氢氧化钛的光催化剂前驱物重复步骤(2)的操作，可制得加载2层氢氧化钛的光催化剂前驱物，再重复步骤(2)4次，即可制得加载6层氢氧化钛的光催化剂前驱物。
(3)将加载6层氢氧化钛的光催化剂前驱物在250℃煅烧保温4h，制成TiO2/ACF光催化剂。
实施例5
TiO2/ACF光催化剂在空气中有害挥发性有机物净化中的应用
TiO2/ACF光催化剂对苯和乙醚两种有机物的吸附动力学曲线如图1。从图1中可以看出，TiO2/ACF光催化剂对苯和乙醚均具有较好的吸附能力，在前50分钟的吸附时间中吸附速度较快，以后速度逐渐减慢，在吸附时间为120分钟时，苯的吸附率为48.5％，乙醚的吸附率高达81.8％。由此可见同一光催化剂对苯和乙醚两种不同挥发性有机物的吸附率具有较大的差别，这可能是乙醚的分子结构较小，而苯分子具有苯环结构分子较大所导致的。但是总体而言，该TiO2/ACF光催化剂对空气中所含的苯和乙醚为代表的挥发性有机物具有很好的吸附效果。
图2给出了TiO2/ACF光催化剂对苯和乙醚两种挥发性有机物的光催化降解的动力学曲线。曲图2可以看出，TiO2/ACF光催化剂对苯和乙醚均具有很高的光催化去除效率。从TiO2/ACF光催化降解苯和乙醚的曲线可以看出，在反应初期，空气中苯和乙醚的浓度下降的比较快，到反应后期逐渐变得较平和。这可能是由于开始时TiO2光催化降解了预先吸附在ACF上的苯和乙醚，使ACF的吸附能力得以再生，再生后的ACF又继续吸附空气中新的苯和乙醚，这时吸附与光催化同时进行，当污染物吸附到ACF上和在TiO2表面上光催化降解的速率达到平衡时，光催化降解率也达到最大值，并在不断循环进行吸附与光催化反应，此时降解曲线变得比较平和。而且随着反应时间的增加，苯和乙醚的去除率明显增加，当反应时间达到120分钟时，其降解率分别达到88.9％和85.4％。由此可见，该光催化剂对两种挥发性有机物均具有非常好的去除效率。这说明采用ACF作为载体负载TiO2催化剂，利用ACF的吸附性能可以对室内空气中的低浓度有机污染物进行快速吸附，而ACF表面吸附的污染物也可以通过表面迁移等途径转移到TiO2光催化剂表面发生光催化降解反应，使ACF得以原位再生，即TiO2/ACF光催化剂上TiO2具备使载体ACF原位再生的能力。
如上所述，可较好地实现本发明。
Claims (8)
1、一种TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤：
(1)在氢氧化钛乳液中按摩尔比氢氧化钛∶硫酸为1∶0.005～0.100加入稀硫酸溶液，搅拌均匀后在超声波中震荡10～60分钟，制得酸化乳液；
(2)活性碳纤维用蒸馏水浸泡再经超声波洗涤，洗涤干净后于50～100℃烘干，浸入上述制得的1～10％的酸化乳液中，于超声波中震荡10～60分钟后取出，在50～100℃烘干，即可制得加载有氢氧化钛的光催化剂前驱物；
(3)将上述光催化剂前驱物在150～350℃煅烧保温2～10h，制成TiO2/ACF光催化剂。
2、根据权利要求1所述的TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钛乳液通过如下步骤制备：将氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色无定形的絮状沉淀进行过滤、洗涤，将洗涤干净的沉淀进行打浆后得到氢氧化钛乳液。
3、根据权利要求1所述的TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述稀硫酸溶液按体积比计蒸馏水∶硫酸为2～10∶1配制。
4、根据权利要求1所述的TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述活性碳纤维包括活性炭纤维布或活性炭纤维毡。
5、根据权利要求1所述的TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其特征在于，将步骤(2)制得加载有氢氧化钛的光催化剂前驱物重复步骤(2)的操作，即可制得加载不同层数氢氧化钛的光催化剂前驱物。
6、根据权利要求5所述的TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其特征在于，所述光催化剂前驱物加载1～6层氢氧化钛。
7、根据权利要求1～6任一项所述的TiO2/ACF光催化剂的制备方法制备的TiO2/ACF光催化剂。
8、根据权利要求7所述的TiO2/ACF光催化剂在空气净化中的应用。
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