一種Fe摻雜生物炭負載TiO2複合材料的製備方法與用途與流程
2024-04-07 21:49:05
本發明屬於環境功能材料和水處理新
技術領域：
，具體涉及一種fe摻雜生物炭負載tio2複合材料的製備方法與用途。
背景技術：
：環丙沙星作為喹諾酮類抗生素的一種,被廣泛用於醫療、畜牧業、農業和水產養殖業等行業,可以通過很多渠道進入到水體環境中。環丙沙星可以對人體產生中樞系統毒性、肝腎毒性、血液系統毒性以及光毒性,也可以使環境中的細菌對其產生抗性,所以它在環境中的存在會對生態系統和人類健康構成潛在的危害,環丙沙星在環境中的遷移轉化越來越引起人們的關注。一般的處理方法有吸附、光催化降解、生物降解和膜過濾等。其中，光催化技術設備簡單、易於操作、無二次汙染、應用範圍廣，在實際的廢水治理中已有應用。tio2作為常用光催化材料，具有製備工藝簡單、原材料低廉易得和無毒無害等優點，但粉末狀tio2在廢水處理中存在分離和回收困難等問題。因此，研究開發新型高效複合光催化劑，已經成為tio2用於水處理的發展和應用中的一個關鍵性科學技術問題。tio2是一類具有強氧化性和還原性的新型無機功能材料，它對廢水中的有機物具有較好的去除能力。但在實際廢水處理中存在分離和回收困難的問題，因而固定化光催化劑的研究備受到關注。採用具有易於摻雜，tio2和載體結合力強等特點溶膠-凝膠技術，將摻雜fe離子的納米tio2負載在生物炭上，實現了催化劑粉末的固定化負載，製備出實用型的、具有高催化活性的複合光催化劑。增強了富集目標汙染物，捕獲中間產物能力，還可以抑制水蒸汽對光催化的影響，提高tio2對汙染物的降解能力，同時與載體的結合還有助於光催化劑的有效分離與回收。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術存在的技術問題，開發一種實用、高效的可用於光催化處理環丙沙星的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料。本發明提出的一種fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料的製備方法，是將fe對tio2進行功能化處理，並且將製備的光催化劑tio2組裝在生物炭表面，增加tio2表面的吸附位點數量，具體步驟如下：(1)將生物質原材料用去離子水清洗，然後在80℃下烘乾24小時，將烘乾後的生物質粉碎，並過2mm篩得到生物質粉末；(2)將10ml鈦酸四正丁酯和0.101g的硝酸鐵緩慢加入到15ml無水乙醇中，混合液以200轉/分鐘的速度在恆溫磁力攪拌器上攪拌20min形成黃色澄清溶液；加入1.5g步驟(1)得到的生物質粉末攪拌30min，得到懸液a。(3)將5ml冰乙酸和5ml去離子水與5ml無水乙醇混合，混合液以200轉/分鐘的速度在恆溫磁力攪拌器上攪拌10分鐘，得到溶液b。(4)在室溫下將溶液b逐滴(速率在2滴/秒左右)加入步驟(1)得到的溶液a中，滴加結束後再持續利用恆溫磁力攪拌器進行劇烈攪拌，使其酞酸四正丁酯水解。攪拌約20分鐘，就可得到黃色的溶膠；將得到的溶膠在40℃老化2小時後，得到凝膠；然後再在80℃下烘乾24小時，得到黃色晶體；(5)將步驟(4)中得到的黃色晶體，充分研磨成極細微顆粒，放入管式氣氛爐中熱解燒制，熱解過程中保持氣氛爐的石英管密封，同時向管內以400ml/min的流速通入n2，以此來保持整個熱解過程的厭氧條件，管式爐的升溫程序設定為：從室溫以7℃/min的升溫速率加熱上升到500℃，並在此溫度條件下持續熱解2小時，然後開始自然降溫過程，在降溫過程中保持n2以相同流速持續通入，冷卻到室溫後取出即得到所述複合材料。上述製備方法中，製備的順序是製備的順序是先將生物質粉末浸入到鈦酸四正丁酯、硝酸鐵和無水乙醇水溶液中，再製備fe摻雜的生物質的凝膠，最後通過管式氣氛爐在n2氛圍下將凝膠熱解得到所述產品。上述製備方法中，生物炭的原材料選用農業廢棄物、固體廢物、汙泥等生物質。上述製備方法中，所述鈦酸四正丁酯:無水乙醇：冰乙酸：水的體積比為2：4：1：1。上述製備方法中，含有生物質的fe摻雜凝膠必須在烘箱中80℃下烘乾24小時，以保證進入管式爐中熱解之前的乾燥狀態。上述製備方法中，管式爐的升溫速率為7℃/min，最高溫度為500℃，並在此溫度條件下持續熱解2小時。利用本發明方法製備得到的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料去除廢水中的抗生素。與現有技術相比，本發明的優點在於：1.生物炭的原料來源廣泛，且價格低廉，主要原料為農業廢棄物、固體廢物、汙泥等生物質；使用的化學藥品鈦酸四正丁酯、硝酸鐵、冰乙酸和無水乙醇等是常用的化工產品。2.本發明的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料的製備工藝及操作簡單，製備快速，生產周期短，產品回收率高，不需要特殊的化工設備，易於實現工業化生產。3.本發明的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料的製備過程中，生物質的熱解和fe摻雜tio2的焙燒在同一個熱處理過程中進行，縮減了製備費用和時間。4.產品無毒，對環境友好。5.本發明的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料對環丙沙星的去除效率高。附圖說明圖1是本發明實施例1的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料的掃描電鏡示意圖；圖2為本發明實施例4的不同ph條件下fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料對環丙沙星的去除量；；具體實施方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。實施例1：一種本發明所述的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料的製備，生物炭原材料選用去掉葉子和皮的薴麻杆，具體製備方法如下：將生物質原材料用去離子水清洗，然後在80℃下烘乾24小時，將烘乾後的生物質粉碎，並過2mm篩得到生物質粉末；將10ml鈦酸四正丁酯和0.101g的硝酸鐵緩慢加入到15ml無水乙醇中，混合液以200轉/分鐘的速度在恆溫磁力攪拌器上攪拌20min形成黃色澄清溶液；加入1.5g步驟(1)得到的生物質粉末攪拌30min，得到懸液a。將5ml冰乙酸和5ml去離子水與5ml無水乙醇混合，混合液以200轉/分鐘的速度在恆溫磁力攪拌器上攪拌10分鐘，得到溶液b。在室溫下將溶液b逐滴(速率在2滴/秒左右)加入步驟(1)得到的溶液a中，滴加結束後再持續利用恆溫磁力攪拌器進行劇烈攪拌，使其酞酸四正丁酯水解。攪拌約20分鐘，就可得到黃色的溶膠；將得到的溶膠在40℃老化2小時後，得到凝膠；然後再在80℃下烘乾24小時，得到黃色晶體；將步驟(4)中得到的黃色晶體，充分研磨成極細微顆粒，放入管式氣氛爐中熱解燒制，熱解過程中保持氣氛爐的石英管密封，同時向管內以400ml/min的流速通入n2，以此來保持整個熱解過程的厭氧條件，管式爐的升溫程序設定為：從室溫以7℃/min的升溫速率加熱上升到500℃，並在此溫度條件下持續熱解2小時，然後開始自然降溫過程，在降溫過程中保持n2以相同流速持續通入，冷卻到室溫後取出即得到所述複合材料。上述製得的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料外觀呈黑色，將其置於掃描電鏡下觀察，其表面結構如圖1所示，可以看出其表面均勻分布大量焙燒後的tio2。實施例2：本發明的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料處理廢水中的環丙沙星，包括以下步驟：取50ml初始濃度為1～20mg/l的環丙沙星溶液，加入實施例1製得的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料，該吸附劑的用量為0.01g，在27℃恆溫培養箱中進行光催化反應，2小時後通過離心將該光催化劑從廢水中分離，用分光光度計在530nm處測定廢水中未被降解環丙沙星的含量，計算的降解量結果如表1所示：表1：不同環丙沙星初始濃度條件下光催化劑的降解率數據由表1可知，在初始濃度為15mg/l的條件下該催化劑劑具有43.54mg/g的降解量，並隨初始濃度增加而增加，到15mg/l的條件下該催化劑的降解量達到43.54mg/g。實施例3：本發明的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料處理廢水中的環丙沙星，包括以下步驟：取50ml初始濃度為500mg/l的環丙沙星溶液，加入實施例1製得的fe摻雜生物炭負載tio2複合材料，該催化劑的用量為0.005g，0.01g，0.015g，在27℃恆溫培養箱中進行光催化反應，2小時後通過離心將該光催化劑從廢水中分離，用分光光度計在530nm處測定廢水中未被降解環丙沙星的含量，計算的降解量結果如表2所示：表2：不同催化劑量下對環丙沙星的降解量數據催化劑用量(g)0.0050.010.015降解量(mg/g)28.5343.5419.63由表2可知，在初始濃度為15mg/l的條件下該催化劑降解量隨催化劑增加呈先增大後減小的趨勢，到0.01g的條件下該催化劑的降解量達到43.54mg/g。實施例4：本發明的fe摻雜生物炭負載tio2的複合材料不同ph下處理廢水中的環丙沙星，包括以下步驟：取50ml初始濃度為15mg/l的環丙沙星溶液，加入實施例1製得的fe摻雜生物炭負載tio2複合材料，該吸附劑的用量為0.1g，在27℃恆溫培養箱中進行光催化反應，2小時後通過離心將該光催化劑從廢水中分離，用分光光度計在665nm處測定廢水中未被降解環丙沙星的含量，計算的降解量結果如表2所示：表3：不同環丙沙星初始濃度條件下光催化劑的降解量數據由表3可知，在初始濃度為15mg/l的ph為6的條件下該催化劑具有65.4mg/g的降解量。以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，與本發明構思無實質性差異的各種工藝方案均在本發明的保護範圍。當前第1頁12