CN1857768A - 一种用钛铁精矿制备光触媒材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种用钛铁精矿制备光触媒材料的方法，属于光触媒新材料技术领域。工艺步骤为：将钛铁精矿粉碎，配料，球磨，干燥，成型，焙烧，冷却，研磨成细粉以测试其光催化活性。本发明的优点在于：制备的新型光触媒粉体是由钙钛矿型、尖晶石及反尖晶石型、金红石及其它氧化物半导体多种物相复合而成，光催化活性高，可见光响应；光触媒粉体粒度分布为微米尺寸，微米粒级的光触媒同样有较高的光催化活性，且易从悬浮体系中回收重复利用。该制备方法工艺简单，成本低廉，制备的光触媒材料光催化性能优良，符合绿色环保要求，提供了一条整体利用天然钛铁精矿制备高附加值产品的途径。

Description

一种用钛铁精矿制备光触媒材料的方法

技术领域

本发明属于光触媒新材料技术领域，特别是提供了一种用钛铁精矿制备光触媒材料的方法。

背景技术

世界上钛铁矿的储量极其丰富，而我国钛铁矿的储量居世界前列，以钛铁矿为原料制备高性能复合材料具有广泛的应用前景。整体开发利用天然钛铁矿制备高附加值产品，使其增值，产生更大的社会经济效益，遵循绿色生态环境的可持续发展。

钛铁精矿是从钛铁矿或钛磁铁矿中采选出来的，原料来源广泛。是由精选铁后的矿渣经过重选、磁选或电选得到的钛及铁含量都比较高的附加产品，一般用作制备钛白粉、人造金红石、高钛渣等的初级原料。钛白粉的生产方法主要有硫酸法和氯化法，硫酸法存在三废多、能耗高和产品质量低等问题，氯化法虽然流程短、环境污染相对较小，但是一般要以人工金红石作为生产原料，对原料中钛纯度要求比较高。总之，目前对钛铁精矿的利用途径性价比不高。

通过光催化氧化还原效应降解有害污染物，无二次污染，是具有开发前途的绿色环保型催化技术。二氧化钛光触媒的研究最为广泛，但是二氧化钛光触媒在实际应用中受激发波长的限制。由于TiO₂的禁带宽度为3.2eV，对应的激发波长在387nm，属于紫外光区，而经济实用的光触媒材料应该能利用太阳光中丰富的可见光部分。解决问题的方法之一是对二氧化钛光触媒进行改性，其二就是研究开发新型光触媒材料，寻找经济实用的新型光触媒材料成为一个新的研究热点。已有文献报道了通过过渡金属元素铁掺杂TiO₂，半导体Fe₂O₃复合TiO₂，磁性半导体Fe₃O₄复合TiO₂，半导体ZnO复合TiO₂，制备改性TiO₂光触媒材料。也有文献报道了以钛酸锌ZnTiO₃或尖晶石ZnFe₂O₄作为光触媒材料光催化降解污染物，具有较高的光催化活性及对可见光敏感。多种类型的多金属复合氧化物具有优良的氧化还原性能，并在化学反应中显示较高活性，其中钙钛矿ABO₃复合氧化物、类钙钛矿A₂BO₄复合氧化物及尖晶石AB₂O₄复合氧化物是三种不同结构的新型半导体光触媒材料，具有可见光利用率高、光催化效率高的特点，在处理污水、净化空气等方面具有广阔的应用前景，且种类众多，有望筛选出更为高效的光触媒。

综合以上研究信息，我们产生了整体利用天然钛铁精矿中的有价元素制备多相复合的新型光触媒材料的想法。采取了操作简单的固相反应焙烧法，制备低成本、高性能、高附加值的产品，提供了一条高效利用天然钛铁矿的崭新途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种用钛铁精矿制备光触媒材料的方法，整体利用天然钛铁精矿制备高附加值产品，实现了制备工艺简单，成本低廉，光催化性能良好，生态环保的光触媒材料。

本发明所用原料为：精选铁后的矿渣经重选、磁选而得到的钛和铁含量均较高的钛铁精矿，价格低廉，来源广泛；引入一定量氧化锌。

本发明的工艺步骤为：

a.原料粉碎：用电磁制样机粉碎钛铁精矿，得到粒度分布为0.3～20μm的粉料；

b.配料：钛铁精矿＝50～95质量％，氧化锌＝5～50质量％；

c.球磨：以无水乙醇为研磨介质，配料在球磨罐中球磨5～10h；

d.干燥：球磨后的料放入烘箱中，于温度60～80℃下进行干燥；

e.液压成型：称取干燥后的料装入模具中，于30～60MPa压力下压制成型；

f.焙烧：在空气气氛和常压下焙烧，焙烧温度在400～1200℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间为1～10h，保温完毕自然冷却至室温；

g.研磨：将焙烧后的块体产品粉碎，研磨后微粉的粒度在0.1～15μm。

制备的系列光触媒粉体的光催化活性测试方法：

以有机染料甲基橙作为光催化降解对象，制备的系列光触媒粉体作为光催化剂，以300W高压汞灯为激发光源。试验过程为：在石英槽中放入100ml不同浓度、不同pH值的甲基橙水溶液和不同用量的系列光触媒粉体，超声分散均匀制备悬浮液光催化体系，调节照射光源到液面的距离为10～20cm。先用增氧泵向悬浮液中鼓气，数分钟后开启光源照射不同时间。将光催化降解后的悬浮液用离心机分离，以2000～4000r/min的离心速度离心分离两次，取离心管中上层清液用于测试甲基橙溶液的光催化降解率。

本发明的优点在于：制备的新型光触媒粉体是由钙钛矿型、尖晶石及反尖晶石型、金红石及其它氧化物半导体多种物相复合而成，光催化活性高，可见光响应；光触媒粉体的粒度为微米尺寸，微米粒级的光触媒同样有较高的光催化活性，且易从悬浮体系中回收重复利用。该制备方法工艺简单，成本低廉，制备的光触媒材料光催化性能优良，符合绿色环保要求，提供了一条整体利用天然钛铁精矿制备高附加值产品的途径。

可以用本发明制备的系列光触媒粉体制作具有光催化性能的涂层、块体或者涂料等新型环保材料。

附图说明

图1为本发明配料中钛铁精矿＝80质量％和ZnO＝20质量％的样品在800℃保温2h制得的光触媒粉体的XRD物相分析图。该图说明制备的光触媒粉体是由钙钛矿型、尖晶石及反尖晶石型、金红石及其它氧化物半导体多种物相复合而成。

图2为本发明配料中钛铁精矿＝80质量％和ZnO＝20质量％的样品在800℃保温2h制得的光触媒粉体的粒度分布图。该图说明制备的光触媒粉体粒度为微米尺寸。

图3为本发明制备的系列光触媒粉体的紫外可见漫反射吸收光谱曲线：(a)钛铁精矿＝90质量％和ZnO＝10质量％，样品在500℃保温2h；(b)钛铁精矿＝70质量％和ZnO＝30质量％，样品在600℃保温1h；(c)钛铁精矿＝80质量％和ZnO＝20质量％，样品在800℃保温2h。该图说明制备的系列光触媒粉体在可见光区有强吸收。

具体实施方式

实施例1

此实施例中所用钛铁精矿的化学成分为：TiO₂＝43.89质量％，Fe₂O₃＝40.09质量％，MgO＝4.36质量％，SiO₂＝4.00质量％，Al₂O₃＝2.12质量％，CaO＝0.81质量％，SO₃＝0.78质量％，MnO＝0.59质量％，其它成分含量占有3.36质量％。

将采集的钛铁精矿粉碎，用电磁制样机粉碎后的钛铁精矿原料粒度分布在0.3～20μm，中位粒径为2.95μm。钛铁精矿粉碎后在烘箱中进行干燥。引入氧化锌进行配料，其中钛铁精矿＝80质量％，ZnO＝20质量％，氧化锌为化学分析纯。以无水乙醇作为研磨介质，配料在球磨罐中球磨7h。球磨后的混合料在80℃温度下干燥。称取8.0g干燥后的料装入模具中，加压到50MPa，成型样品为圆饼状块体。将样品放在氧化铝坩锅中，在管式高温炉中焙烧，焙烧温度为600℃，升温速率为2℃/min，保温时间为1h，随后自然冷却至室温。将焙烧后的块体制品粉碎，研磨得到光触媒粉体。

光催化活性测试：在石英槽中放入100ml初始浓度为5mg/L、pH＝3.00的甲基橙水溶液和实施例1制备的500mg光触媒粉体，超声分散30min，得到悬浮体系溶液，再加入0.2ml H₂O₂＝5体积％。以一个300W高压汞灯为光源照射，光源距离液面20cm。光催化降解过程中用增氧泵向悬浮液中鼓气，开启光源照射60min。本实施例制备的光触媒粉体对甲基橙溶液的光催化降解率为82.45％。

实施例2

本实施例所用的初始原料及工艺步骤与实施例1相同，所不同的是配料中钛铁精矿＝90质量％，ZnO＝10质量％；焙烧温度为500℃，保温时间为2h；光催化活性测试表明本实施例制备的光触媒粉体对甲基橙溶液的光催化降解率为72.89％。

实施例3

本实施例所用的初始原料及工艺步骤与实施例1相同，所不同的是配料中钛铁精矿＝80质量％，ZnO＝20质量％；焙烧温度为800℃，保温时间为2h；光催化活性测试表明本实施例制备的光触媒粉体对甲基橙溶液的光催化降解率为59.66％。

Claims (1)

1、一种用钛铁精矿制备光触媒材料的方法，其特征在于：工艺步骤为：

a.原料粉碎：用电磁制样机粉碎钛铁精矿，得到粒度分布为0.3～20μm的粉料；

b.配料：钛铁精矿＝50～95质量％，氧化锌＝5～50质量％；

c.球磨：以无水乙醇为研磨介质，配料在球磨罐中球磨5～10h；

d.干燥：球磨后的混合料放入烘箱中，于温度60～80℃下进行干燥；

e.液压成型：称取干燥后的料装入模具中，于30～60MPa压力下压制成型；

f.焙烧：在空气气氛和常压下焙烧，焙烧温度在400～1200℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间为1～10h，保温完毕自然冷却至室温；

g.研磨：将焙烧后的块体产品粉碎，研磨后微粉的粒度在0.1～15μm。

Images