WO2023016311A1 - 一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂及其制备方法、应用，该复合光催化剂包括氧化钛、污泥灰和多孔生物炭，其中，多孔生物炭为载体，氧化钛和污泥灰负载在多孔生物炭上；以复合光催化剂的总量计，复合光催化剂包含20重量％-30重量％的氧化钛，10重量％-15重量％的污泥灰，其余为多孔生物炭；该污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂的主要增益成分均来自污水处理厂副产物污泥的焚烧灰和木质纤维素生物质，属于固体废弃物资源化利用，有效的降低了复合光催化剂的生产成本，具有广阔的市场应用前景。
Description
本发明涉及光催化剂技术和固废资源化利用领域，特别涉及一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂及其制备方法、应用。
随着社会经济的不断发展，全社会的环保意识也在不断提高，如何解决经济发展带来的各种环境污染成为亟待解决的难题。光催化技术是一种利用光催化材料在紫外/可见光光照条件下与污染物发生氧化还原反应，将污染物降解成二氧化碳、水和一些简单的小分子物质的环境污染治理技术。光催化技术具有成本低廉、适应性强、产物无毒无污染的优点。光催化材料是光催化技术的核心，纳米二氧化钛是一种被广泛商业化应用的光催化材料，具有化学稳定性好、无毒无害、可回收再利用以及成本低廉的优势。然而，二氧化钛在催化降解污泥干化臭气中存在一些缺陷，如二氧化钛只能在紫外光照条件下发挥催化作用，对污染物吸附能力不强而造成降解效率不高等问题。因此，如何提高二氧化钛光催化降解污泥干化臭气效率，尤其是对污泥干化臭气主要成分氨气的降解效率，显得尤为关键。
目前，现有的专利技术中主要是把二氧化钛负载在一些多孔载体上，如活性炭、分子筛等，通过提升对污染物的吸附效率来提高二氧化钛光催化效率。然而，多孔载体如活性炭往往价格较高，导致增加成本。虽然也有一些专利技术采用固体废弃物作为载体，如粉煤灰和生物炭，但是这些专利技术依然只是利用载体的多孔性来提高污染物吸附能力，对氧化钛基光催化性能提升并不明显。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂，其具有成本低，对污染物吸附效率高，尤其是对污泥干化臭气主要成分氨气的降解效率高的优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂，包括氧化钛、污泥灰和多孔生物炭，其中，所述多孔生物炭为载体，所述氧化钛和污泥灰负载在所述多孔生物炭上；
以所述复合光催化剂的总量计，所述复合光催化剂包含20重量％-30重量％的氧化钛，10重量％-15重量％的污泥灰，其余为多孔生物炭。
本发明还提供了一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生物质粉磨，过筛处理，备用；
将市政污泥煅烧处理，研磨得到污泥灰，备用；
(2)将生物质、污泥灰和氧化钛混合均匀，研磨处理，加入稀盐酸溶液，调节pH值至1-2，搅拌混合30min，调节pH值至中性，过滤得到混合固体；
(3)将步骤(2)得到的混合固体置于真空炉中煅烧处理，所得固体产物即为所述的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂。
在进一步的技术方案中，步骤(1)中，所述的生物质粉磨后过20-30目筛处理。
在进一步的技术方案中，步骤(1)中，所述的生物质选自秸秆、稻草、木屑中的一种或一种以上的组合物。
在进一步的技术方案中，步骤(1)中，所述市政污泥在800℃下空气氛围中煅烧处理5小时，待冷却至室温时取出，研磨即得污泥灰；
所述污泥灰中磷化合物、铁化合物的质量分数≥20％。
在进一步的技术方案中，步骤(2)中，所述生物质、污泥灰和氧化钛的重量比为1：(0.15-0.2)：(0.2-0.3)；
所述稀盐酸溶液的浓度为1mol/L，其加入量为200mL。
在进一步的技术方案中，步骤(3)中，所述煅烧处理的条件至少满足：煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为0.5-1.5小时。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明提供的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂，其主要增益成分均来自污水处理厂副产物污泥的焚烧灰和木质纤维素生物质，属于固体废弃物 资源化利用，有效的降低了复合光催化剂的生产成本，具有广阔的市场应用前景；
2、本发明提供的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂能够有效利用可见光，扩展了氧化钛基光催化材料的应用范围；
3、本发明提供的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂酸性较强，有利于生物干化恶臭气体主要成分氨气的降解；
4、本发明提供的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂的制备方法，具有操作简单，所有原料廉价易得的优点。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂，包括氧化钛、污泥灰和多孔生物炭，其中，所述多孔生物炭为载体，所述氧化钛和污泥灰负载在所述多孔生物炭上；
以所述复合光催化剂的总量计，所述复合光催化剂包含20重量％-30重量％的氧化钛，10重量％-15重量％的污泥灰，其余为多孔生物炭。
本发明提供的技术方案中，其技术构思在于，利用污泥灰改性修饰氧化钛-生物炭复合光催化材料，充分利用污泥灰中富含铝、铁、磷等路易斯酸、布朗斯特酸元素以提高对污泥干化臭气中主要成分氨气的吸附能力和污泥灰酸改性后磷酸铁组分具有可见光催化能力，和生物质热解炭化过程产生氢气等还原性气体原位处理氧化钛，提高氧化钛氧空位缺陷，提高可见光利用度；也即，本发明中提供的方案充分利用焚烧灰中铁、铝、磷等元素和生物质热解产生的还原性气氛增强复合光催化剂的整体酸性和可见光利用度，提高生物干化恶臭气体主要成份氨气的降解效率。
所得复合光催化材料整体酸性高、可见光利用度高、对污泥干化臭气主要成分氨气吸附性能优异、光催化降解污泥干化臭气效率高，方法操作简单，且能实现固废资源化利用。
本发明还提供了一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)将生物质粉磨，过筛处理，备用；
将市政污泥煅烧处理，研磨得到污泥灰，备用；
(2)将生物质、污泥灰和氧化钛混合均匀，研磨处理，加入稀盐酸溶液，调节pH值至1-2，搅拌混合30min，调节pH值至中性，过滤得到混合固体；
(3)将步骤(2)得到的混合固体置于真空炉中煅烧处理，所得固体产物即为所述的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂。
进一步的，根据本发明提供的方法，步骤(1)中，所述的生物质粉磨后过20-30目筛处理。
本发明中，作为优选的，步骤(1)中，所述的生物质选自秸秆、稻草、木屑中的一种或一种以上的组合物。
本发明中，对市政污泥进行煅烧的目的是去除其中的有机质，得到污泥灰，同时确保其中的活性组分在使用时具有较稳定的状态。作为市政污泥煅烧的一种具体的实施方式，步骤(1)中，所述市政污泥在800℃下空气氛围中煅烧处理5小时，待冷却至室温时取出，研磨即得污泥灰；所述污泥灰中磷化合物、铁化合物的质量分数分别≥20％。具体的，在本发明的一个具体的实施方式中，所述污泥灰的成分按质量百分比计为：氧化硅28.6％、氧化铁20％，氧化铝9.7％、氧化钙16.3％、五氧化二磷22.5％、氧化镁3％，其余为钠、钾、硫等微量化合物。
根据本发明提供的方法，本发明中，为了确保污泥干化不同时间段内产生的不同浓度臭气都能被有效吸附、降解，以及，确保不同来源污泥灰和氧化钛加入后，复合光催化材料中主活性成分和助活性成分能以一个合适的比例存在、调控；所述生物质、污泥灰和氧化钛的重量比为1：(0.15-0.2)：(0.2-0.3)；所述稀盐酸溶液的浓度为1mol/L，其加入量为200mL。
根据本发明提供的方法，本发明中，步骤(3)中，所述煅烧处理的条件至少满足：煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为0.5-1.5小时。
本发明还提供了一种上述污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂在污泥干化臭气处理中的应用。
以下通过具体的实施例对本发明提供的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂做出进一步的说明。
实施例1
本实施例提供了一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆粉磨，过20目筛处理，备用；
将市政污泥在800℃下空气氛围中煅烧处理5小时，待冷却至室温时取出，研磨即得污泥灰；经检测，污泥灰的成分按质量百分比计为：氧化硅28.6％、氧化铁20％，氧化铝9.7％、氧化钙16.3％、五氧化二磷22.5％、氧化镁3％，其余为钠、钾、硫等微量化合物；
(2)将10g秸秆粉、2g污泥灰和3g氧化钛(德固塞P25)混合均匀，研磨处理，加入200mL、1M的稀盐酸溶液，调节pH值至1，搅拌混合30min，调节pH值至中性，过滤得到混合固体；
(3)将步骤(2)得到的混合固体置于真空炉中，在550℃煅烧处理1小时，冷却至常温，所得固体产物即为所述的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂。
性能测试：将所得复合光催化剂平铺于光催化反应仓内，通入氨气标准气作为污泥干化臭气模型气使反应仓内初始氨气浓度为300ppm；分别使用可见光光源和紫外光源对反应仓照射，每隔10min进行一次检测。结果显示，在紫外光照射下1h后氨气去除率达到91.50％；在可见光照射下3h后氨气去除率可达64.10％。
实施例2
本实施例与实施例1中复合光催化剂的制备方法基本相同，不同的是，将生物质替换为木屑；其余条件不变，制备得到复合光催化剂。
按照实施例1中的方法进行性能测试，结果显示，在紫外光照射下1h后氨气去除率达到90.80％；在可见光照射下3h后氨气去除率可达65.20％。
对比例1
本对比例与实施例1中复合光催化剂的制备方法基本相同，不同的是，在步骤(2)中，将10g秸秆粉、0g污泥灰和3g氧化钛(德固塞P25)混合均匀，研磨处理；其余条件不变，制备得到复合光催化剂。
按照实施例1中的方法进行性能测试，结果显示，在紫外光照射下1h后氨气去除率达到77.10％；在可见光照射下3h后氨气去除率可达37.20％。
对比例2
本对比例与实施例1中复合光催化剂的制备方法基本相同，不同的是，在步骤(2)中，将10g秸秆粉、2g污泥灰和0g氧化钛(德固塞P25)混合均匀，研磨处理；其余条件不变，制备得到复合光催化剂。
按照实施例1中的方法进行性能测试，结果显示，在紫外光照射下1h后氨气去除率达到51.60％；在可见光照射下3h后氨气去除率可达26.90％。
对比例3
本对比例与实施例1中复合光催化剂的制备方法基本相同，不同的是，所采用污泥灰的成分按质量百分比计为：氧化硅31.5％、氧化铁10.7％，氧化铝8.7％、氧化钙41％、五氧化二磷4％、氧化镁4％，其余为钠、钾、硫等微量化合物；其余条件不变，制备得到复合光催化剂。
按照实施例1中的方法进行性能测试，结果显示，在紫外光照射下1h后氨气去除率达到78.70％；在可见光照射下3h后氨气去除率可达48.60％。
结合上述实施例和对比例可以看出，本发明提供的技术方案中，通过污泥灰改性修饰氧化钛，提高了氧化钛的氧空位缺陷，提高了可见光利用度，使其在可见光照射下仍能实现较优异的氨气去除效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
- 一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂，其特征在于，包括氧化钛、污泥灰和多孔生物炭，其中，所述多孔生物炭为载体，所述氧化钛和污泥灰负载在所述多孔生物炭上；以所述复合光催化剂的总量计，所述复合光催化剂包含20重量％-30重量％的氧化钛，10重量％-15重量％的污泥灰，其余为多孔生物炭。
- 一种污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质粉磨，过筛处理，备用；将市政污泥煅烧处理，研磨得到污泥灰，备用；(2)将生物质、污泥灰和氧化钛混合均匀，研磨处理，加入稀盐酸溶液，调节pH值至1-2，搅拌混合30min，调节pH值至中性，过滤得到混合固体；(3)将步骤(2)得到的混合固体置于真空炉中煅烧处理，所得固体产物即为所述的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂。
- 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的生物质粉磨后过20-30目筛处理。
- 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的生物质选自秸秆、稻草、木屑中的一种或一种以上的组合物。
- 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述市政污泥在800℃下空气氛围中煅烧处理5小时，待冷却至室温时取出，研磨即得污泥灰；所述污泥灰中磷化合物、铁化合物的质量分数≥20％。
- 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述生物质、污泥灰和氧化钛的重量比为1：(0.15-0.2)：(0.2-0.3)；所述稀盐酸溶液的浓度为1mol/L，其加入量为200mL。
- 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述煅烧处理的条件至少满足：煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为0.5-1.5小时。
- 根据权利要求1所述的污泥灰修饰氧化钛-生物炭复合光催化剂在污泥干化臭气处理中的应用。
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