一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法

2023-10-10 23:56:49

專利名稱：一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於一種新材料及該材料的製備方法，具體地說涉及一種用於處理水中有機汙染 物的光催化材料的製備方法。
背景技術：
我國水資源短缺，是世界人均水資源最貧乏的國家之一，而且我國水資源缺乏呈現水質 型缺水特徵，對廢水進行處理回用正日益成為解決水資源短缺的途徑之一。 一些工業廢水中 (如染料工業廢水、石化工業廢水等)往往含有較多的有機汙染物，它們具有高的毒性，很 難用常規的水處理方法將其完全降解，嚴重威脅人類的健康和生命。
光催化氧化技術在降解難生物降解的有機汙染物方面表現出很好的優勢。該技術是利用 光催化材料在光的激發下產生電子和空穴的原理，逐步將有機汙染物完全降解為無毒無味的 二氧化碳、水等無機小分子，從而達到淨化廢水的目的。
納米氧化鈦是使用最多的一種光催化材料，具有價廉、無毒、穩定性高、能夠再生循環 利用等優點。目前納米氧化鈦作為光催化材料在空氣淨化方面已經獲得了工業應用，國內外 都出現了很多產品，例如納米空氣淨化器、中央空調淨化模塊、光觸媒塗料等。然而在水處 理方面的應用仍然處在試驗階段，其技術難點之一是納米氧化鈦的回收問題。氧化鈦一般以 納米級粉末或顆粒狀為主，顆粒細小，在實際水處理應用中，不但難以回收重新利用，而且 還易造成二次汙染。為克服這個缺點，人們開始尋求氧化鈦的負載技術，通過將氧化鈦負載 在某種載體上，從而實現水處理後固液有效分離的目的。
被採用作為氧化鈦載體的材料有多種，如玻璃、陶瓷、不鏽鋼板、活性炭、活性炭纖維 等。氧化鈦負載到玻璃等材料上後，由於傳質過程受到影響，使其光催化降解效率降低；負 載到活性炭等多孔材料上，由於多孔材料的吸附作用，有利於光催化降解效率的提高，但這 些材料的價格往往較高，不利於水處理成本的降低。粉煤灰是燃煤電廠粉煤燃燒排放的廢棄 物。我國目前每年排放的粉煤灰超過l億噸，到2010年我國的粉煤灰量將達到20億噸。目前我國粉煤灰的重複利用率僅為41.7%，主要限於建材製品、建築工程、道路工程等方面， 其餘大部分被堆積廢棄，不僅佔用了大量耕地，而且由於粉煤灰質輕粒細，極易隨風飛揚， 隨水漂浮，造成水土流失和環境汙染，因此粉煤灰的綜合利用是當今環境科學的重要研究課 題。粉煤灰還是一種多孔型材料，可以產生吸附作用，而且其粒徑一般在1 500pm之間，與 納米氧化鈦相比，在水中易於沉積。因此本發明採用粉煤灰作為氧化鈦的載體，不僅可以解 決光催化材料的回收問題，而且可以達到以廢治廢的效果。
目前關於粉煤灰的發明專利主要集中在釆用粉煤灰制混凝土或磚等。如中國專利申請 200410051125.3 "—種大摻量粉煤灰的混凝土"；如中國專利ZL200410053032.4 "聚苯乙烯-粉煤灰混凝土牆體材料及其製備方法"；如美國專利申請20070289503 "Process turning fly ash into useful building blocks and the like"(粉煤灰製成建築用磚塊的方法)等；也有利用粉煤灰 的絮凝和吸附作用將粉煤灰用作汙水處理材料的，如中國專利ZL200410015358.8 "多功能粉 煤灰汙水處理材料的製備方法"等。但國內外至今還未發現粉煤灰負載氧化鈦方面的專利技 術。

發明內容
本發明的目的在於提供一種成本低、易分離回收、降解效率高的光催化材料的製備方法。 該方法採用一種新的技術方案先將粉煤灰在300 80(TC的條件下煅燒1~6小時；再將 煅燒後的粉煤灰與鈦醇鹽按一定比例混合攪拌，比例控制在0.1~1.5g粉煤灰每毫升鈦醇鹽； 攪拌0.5-6小時後，再向其中緩慢滴加適量的超純水進行水解，滴加的超純水與鈦醇鹽的摩 爾比在1:1 20:1之間，邊滴加邊攪拌，最終得到一種糊狀物；然後將其在25 80'C的條件下 恆溫烘乾；最後再於400 80(TC的溫度範圍內煅燒1 6小時，製得最終產品。
本發明與現有技術相比具有以下優點
(1) 成本低。採用廢棄物粉煤灰作為載體，有效降低了光催化材料的成本。
(2) 製備簡單。通過鈦醇鹽的水解實現負載，不需添加其它助劑，製備過程簡單易行。
(3) 可多次重複使用。製得的產品在水處理後，容易沉降，可實現光催化材料的回收 再利用。
具體實施方式
實施例1:
在裝有20mL的鈦酸四正丁酯的燒杯中，加入25g經70(TC煅燒4小時的粉煤灰，充分攪 拌2小時後，再向其中緩慢滴加5mL超純水，邊滴加邊攪拌，將得到的糊狀物6(TC恆溫烘乾， 然後再於50(TC的條件下煅燒4小時，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。
以溶液中的甲基橙為模擬難降解的有機汙染物，初始濃度為20mg/L，取0.3g製得的光 催化材料，加入到50mL的甲基橙溶液中，持續通入空氣並磁力攪拌，溶液體系的溫度恆定 在20 40'C，紫外光下反應40分鐘。甲基橙溶液脫色率達97%。
關掉光源，停止通氣和攪拌，讓反應溶液中的光催化劑自然沉降60分鐘後，倒出反應液， 再重新加入新鮮的初始濃度為20mg/L的甲基橙溶液50mL進行光催化降解實驗。如此重複循 環，每次循環持續降解40分鐘，以考察催化劑回收重複使用的效果。結果發現，循環使用第 5次時，甲基橙溶液的脫色率仍達80%。
實施例2:
在裝有17mL鈦酸四正丁酯的燒杯中，加入10g經60(TC煅燒2小時的粉煤灰，充分攪拌 3小時後，再向其中緩慢滴加3.6mL超純水，邊滴加邊攪拌，將得到的糊狀物25"C恆溫烘乾， 然後再於60(TC的條件下煅燒2小時，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。
降解物質和反應參數設置同實施例1。降解40分鐘後，甲基橙的脫色率達98%。循環使 用第5次時，甲基橙溶液的脫色率仍達84%。
實施例3:
在裝有30mL鈦酸四正丁酯的燒杯中，加入15g經50(TC煅燒5小時的粉煤灰，充分攪拌 4小時後，再向其中緩慢滴加8mL超純水，邊滴加邊攪拌，將得到的糊狀物7(TC恆溫烘乾， 然後再於70(TC的條件下煅燒1.5小時，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。
降解物質和反應參數設置同實施例1。降解40分鐘後，甲基橙的脫色率達98%。循環使 用第5次時，甲基橙溶液的脫色率仍達85%。
實施例4:在裝有15mL的鈦酸四正丁酯的燒杯中，加入5g經80(TC煅燒3小時的粉煤灰，充分攪 拌後再向其中緩慢滴加2.4mL超純水，邊滴加邊攪拌，將得到的糊狀物4(TC恆溫烘乾，然後 再於60(TC的條件下煅燒2小時，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。
降解物質和反應參數設置同實施例1。降解40分鐘後，甲基橙的脫色率達99%。循環使 用第5次時，甲基橙溶液的脫色率仍達97% 。
實施例5:
在裝有20mL的鈦酸四正丁酯的燒杯中，加入15g經70(TC煅燒5小時的粉煤灰，充分攪 拌4小時後，再向其中緩慢滴加6mL超純水，邊滴加邊攪拌，將得到的糊狀物7(TC恆溫烘乾， 然後再於60(TC的條件下煅燒2小時，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。
以溶液中的羅丹明B為模擬難降解的有機汙染物，初始濃度為20mg/L，取0.3g製得的 光催化材料，加入到50mL的羅丹明B溶液中，持續通入空氣並磁力攪拌，溶液體系的溫度 恆定在20~40°C ，紫外光下反應40分鐘。羅丹明B溶液脫色率達98% 。
關掉光源，停止通氣和攪拌，讓反應溶液中的光催化劑自然沉降60分鐘後，倒出反應液， 再重新加入新鮮的初始濃度為20mg/L的羅丹明B溶液50mL進行光催化降解實驗。如此重 復循環，每次循環持續降解40分鐘，以考察催化劑回收重複使用的效果。結果發現，循環使 用第5次時，羅丹明B溶液的脫色率仍達85X。
實施例6:
在裝有25mL的鈦酸四正丁酯的燒杯中，加入10g經60(TC煅燒3小時的粉煤灰，充分攪
拌後再向其中緩慢滴加3.0mL超純水，邊滴加邊攪拌，將得到的糊狀物5(TC恆溫烘乾，然後
再於60(TC的條件下煅燒2小時，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。
降解物質和反應參數設置同實施例5。降解40分鐘後，羅丹明B溶液的脫色率達99%。循 環使用第5次時，甲基橙溶液的脫色率仍達90%。
權利要求
1.一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟先將粉煤灰高溫煅燒，然後將煅燒過的粉煤灰加入到鈦醇鹽中充分攪拌，再滴加超純水水解，然後再烘乾煅燒，製得光催化材料。
2. 如權利要求1所述的一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於所述粉煤灰煅燒處理的溫度控制在300~800°C，煅燒時間控制在1~6小時。
3. 如權利要求1所述的一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於所述粉煤灰與鈦醇鹽的投加比例控制在每毫升鈦醇鹽投加0.1 1.5g粉煤灰。
4. 如權利要求1所述的一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於所述粉煤灰與鈦醇鹽混合攪拌時間控制在0.5~6小時。
5. 如權利要求1所述的一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於所加入的超純水與鈦醇鹽的摩爾比控制在1:1 20:1。
6. 如權利要求1所述的一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於所 述粉煤灰負載氧化鈦的烘乾溫度控制在25~80°C 。
7. 如權利要求1所述的一種粉煤灰負載氧化鈦光催化材料的製備方法，其特徵在於所 述粉煤灰負載氧化鈦的煅燒溫度控制在400~800°C，煅燒時間控制在1~6小時。
全文摘要
本發明涉及一種用於處理水中有機汙染物的光催化材料的製備方法。主要技術方案包括如下步驟先將燃煤電廠排放的廢棄物粉煤灰進行高溫煅燒，然後將煅燒過的粉煤灰加入到鈦醇鹽中充分攪拌，再滴加超純水水解，然後再烘乾煅燒，製得粉煤灰負載氧化鈦的光催化材料。本發明具有成本低、製備過程簡單、催化劑易於沉降回收重複使用的特點，而且該光催化材料降解效率高，能在短時間內快速降低水中有機汙染物的濃度，最終可將汙染物幾乎完全降解，適用於有機廢水的處理，具有廣闊的應用前景。
文檔編號B01J21/16GK101564685SQ20081013139
公開日2009年10月28日 申請日期2008年8月13日 優先權日2008年8月13日
發明者徐貴華, 芳 方, 王淑梅, 石建穩, 羅紅元, 陳少華 申請人:廈門城市環境研究所