專利名稱：膨脹珍珠巖負(fù)載納米晶粒二氧化鈦光催化劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膨脹珍珠巖負(fù)載納米晶粒二氧化鈦光催化劑及制備方法，該催化劑可以高效的催化降解廢水中的各種有機(jī)物，適用于處理工業(yè)、生活廢水中的有毒有害、生物難以降解的有機(jī)物。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平日益提高，但是人類賴以生活的環(huán)境卻遭到了越來越嚴(yán)重的破壞，人類面臨著能源、資源、環(huán)境和健康等一系列問題。僅廢水一項(xiàng)，對(duì)環(huán)境造成的危害已十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每生產(chǎn)1噸染料大約排放廢水744m3。目前染料廢水的治理率不足30％。常規(guī)的一些處理方法，由于種種原因效果并不理想，而且難以單獨(dú)應(yīng)用。生化處理染料廢水雖然效果顯著，但投資較大，管理要求高，而且各類廢水的可生化能力也有著較大的差異，使其推廣應(yīng)用受到一定限制。70年代，John H.Carey等注意到TiO2水體系在光照條件下可非選擇性地氧化(降解)有機(jī)物，并使之徹底礦化成CO2和H2O，這引起了各國(guó)環(huán)境科學(xué)工作者的關(guān)注。在此之后，國(guó)內(nèi)外在此領(lǐng)域均進(jìn)行了廣泛而深入的探索，已取得了許多可喜的成績(jī)，為這一問題的解決提供了新的途徑。
納米晶粒TiO2光催化降解法具有高效、節(jié)能、清潔無毒、催化范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以有效去除水體中多種有機(jī)污染物，在水處理研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，TiO2納米粉末的易失活、易凝聚和難回收的缺點(diǎn)，負(fù)載型的納米晶粒TiO2光催化劑可以有效的克服粉末型缺陷。
膨脹珍珠巖具有自身有多孔徑和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，可作為負(fù)載體，由于此種載體顆粒具有很大的比表面積，因此可有效的將廢水中的污染物吸附載體表面，從而加快了二氧化鈦光催化降解有機(jī)污染物的過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種膨脹珍珠巖負(fù)載納米晶粒二氧化鈦光催化劑及制備方法。此種催化劑本身具有原料用量少、納米二氧化鈦陽(yáng)光利用率高、制備時(shí)間短、污染小、適合工業(yè)化大量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且具有多孔結(jié)構(gòu)，吸附能力較好，且比水密度小，適合做水處理光催化劑。
本發(fā)明提供的膨脹珍珠巖負(fù)載納米晶粒二氧化鈦光催化劑是以膨脹珍珠巖為載體，負(fù)載有效量的納米晶粒TiO2層，所說的納米晶粒TiO2的重量占催化劑的5～20％；所說的膨脹珍珠巖的比重為0.5-0.9g/cm3。所說的納米晶粒TiO2層的厚度是層厚度為20～600nm。
本發(fā)明提出的膨脹珍珠巖負(fù)載納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，包括以下步驟1)載體的制備將膨脹珍珠巖用含量為5～15％的鹽酸溶液浸泡4～12小時(shí)，取出后風(fēng)干2～10小時(shí)，經(jīng)過連續(xù)三次浸泡后，在通入空氣的條件下放入烘箱于150℃～300℃下焙燒1～5小時(shí)。
2)催化劑活性組分前驅(qū)體的制備在95％乙醇溶液中加入水，在攪拌條件下同時(shí)加入醋酸和二乙醇胺(作為穩(wěn)定劑)，最后將前驅(qū)體加入到上述混和溶液中，在密閉條件下將溶液靜置2～8日，得穩(wěn)定透明溶膠。
前驅(qū)體鈦酸丁脂、鈦酸正丙脂、鈦酸異丙脂、或鈦酸四乙脂或硫酸氧鈦。
前驅(qū)體溶液的體積比為前驅(qū)體∶乙醇∶水∶二乙醇胺∶醋酸＝1∶1～15∶1.5～6.5∶0.1～0.9∶0.01～0.05。
3)固載將溶膠均勻涂抹在載體上，再將載體快速浸泡于溶膠中并快速取出，通過甩干裝置甩去多余的溶膠，重復(fù)2～5次達(dá)到負(fù)載于膨脹珍珠巖載體上納米晶粒TiO2厚度，然后將負(fù)載濕溶膠的載體通風(fēng)干燥一小時(shí)后，再將珍珠巖載體放置于烘箱，在40℃～130℃溫度下經(jīng)過1～7小時(shí)烘干，最后在空氣氣氛下以1～3℃/min的速度升溫至200～600℃，保持溫度1～6h，形成納米晶粒TiO2層，層厚度為20～600nm。
本發(fā)明提供的膨脹珍珠巖負(fù)載納米二氧化鈦光催化劑本身具有原料用量少、納米二氧化鈦陽(yáng)光利用率高、制備時(shí)間短、污染小、適合工業(yè)化大量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且具有多孔結(jié)構(gòu)，吸附能力較好，且比水密度小，適合做水處理光催化劑。


圖1膨脹珍珠巖和負(fù)載納米晶粒TiO2光催化劑的電鏡照片。
圖2珍珠巖XRD圖。
圖3負(fù)載納米TiO2后珍珠巖的XRD圖。
圖4靜態(tài)處理染料廢水降解曲線。
圖5靜態(tài)處理染料廢水降解曲線。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，所舉之例并不影響本發(fā)明的保護(hù)范圍實(shí)施例1將市售工業(yè)膨脹珍珠巖600g，比重為0.7g/cm3，用含量為5％的鹽酸溶液浸泡8小時(shí)，取出后風(fēng)干4小時(shí)，經(jīng)過三次浸泡后，放入烘箱中在通入空氣的條件下于250℃下焙燒4小時(shí)，烘干后即成為處理載體。
分別以鈦酸丁脂為前驅(qū)體，前驅(qū)體溶液中各成分的體積比為鈦酸丁脂∶95％乙醇∶水∶二乙醇胺∶98％醋酸＝1∶4∶4∶0.6∶0.02配成溶液，五種物質(zhì)的加入順序?yàn)槭紫仍?00ml乙醇溶液中加入水400ml，在攪拌條件下同時(shí)加入醋酸2ml和二乙醇胺60ml作為穩(wěn)定劑，最后將鈦酸丁脂100ml加入到上述混和溶液中，在密閉條件下將溶液靜置5日，得穩(wěn)定透明溶膠。
將上述制備的溶膠均勻涂抹在600g珍珠巖載體上，再將載體快速浸泡于上述溶膠中并快速取出，通過甩干裝置甩去多余的溶膠，重復(fù)4次，通過控制涂抹次數(shù)和浸泡次數(shù)來控制負(fù)載于膨脹珍珠巖載體上的納米晶粒TiO2厚度，將負(fù)載濕溶膠的載體通風(fēng)干燥一小時(shí)后，再將珍珠巖載體放置于烘箱，在50℃溫度下經(jīng)過4小時(shí)烘干，最后在空氣氣氛下以1℃/min的速度升溫至350℃，保持溫度5小時(shí)即得本發(fā)明所述的催化劑，形成納米晶粒TiO2層厚度為400nm。圖1膨脹珍珠巖材料負(fù)載納米晶粒TiO2光催化劑的電鏡照片，A為負(fù)載前珍珠巖電鏡；B為負(fù)載納米TiO2后珍珠巖電鏡。
實(shí)施例2將市售工業(yè)膨脹珍珠巖800g用含量為10％的鹽酸溶液浸泡，取出后風(fēng)干5小時(shí)，經(jīng)過三次浸泡后，放入烘箱中在通入空氣的條件下于250℃下焙燒4小時(shí)，烘干后即成為處理完畢的復(fù)合載體。
分別以鈦酸正丙脂為前驅(qū)體，前驅(qū)體溶液中各成分的體積比為鈦酸正丙脂∶乙醇∶水∶二乙醇胺∶38％鹽酸＝1∶5∶4∶0.5∶0.02配成溶液，五種物質(zhì)的加入順序?yàn)槭紫仍谝掖?下述乙醇皆是95％)500ml溶液中加入水，在攪拌條件下同時(shí)加入鹽酸2ml和二乙醇胺50ml作為穩(wěn)定劑，最后將鈦酸正丙脂100ml加入到上述混和溶液中，在密閉條件下將溶液靜置6日，得穩(wěn)定透明溶膠。
將上述制備的溶膠均勻涂抹在800g珍珠巖載體上，再將載體快速浸泡于上述溶膠中并快速取出，通過甩干裝置甩去多余的溶膠，重復(fù)3次，通過控制涂抹次數(shù)和浸泡次數(shù)來控制負(fù)載于膨脹珍珠巖載體上的納米晶粒TiO2厚度，將負(fù)載濕溶膠的載體通風(fēng)干燥一小時(shí)后，再將珍珠巖載體放置于烘箱，在60℃溫度下經(jīng)過3小時(shí)烘干，最后在空氣氣氛下以2℃/min的速度升溫至400℃，保持溫度4.5h即得本發(fā)明所述的催化劑，形成納米晶粒TiO2層厚度為500nm。
實(shí)施例3將市售工業(yè)膨脹珍珠巖800g用含量為15％的鹽酸溶液浸泡6小時(shí)，取出后風(fēng)干5小時(shí)，經(jīng)過三次浸泡后，放入烘箱中在通入空氣的條件下于250℃下焙燒4小時(shí)，烘干后即成為處理完畢的復(fù)合載體。
催化劑活性組分為溶膠，分別以鈦酸四乙脂為前驅(qū)體，前驅(qū)體溶液中各成分的體積比為鈦酸四乙脂∶乙醇∶水∶二乙醇胺∶98％醋酸＝1∶3∶5∶0.3∶0.04配成溶液。首先在乙醇300ml溶液中加入水500ml，在攪拌條件下同時(shí)加入醋酸4ml和二乙醇胺30ml作為穩(wěn)定劑，再將鈦酸四乙脂100ml逐滴加入到上述混和溶液中，在密閉條件下將溶液靜置2～8日，得穩(wěn)定透明溶膠。
將上述制備的溶膠均勻涂抹在800g珍珠巖載體上，再將載體快速浸泡于上述溶膠中并快速取出，通過甩干裝置甩去多余的溶膠，重復(fù)4次通過控制涂抹次數(shù)和浸泡次數(shù)來控制負(fù)載于膨脹珍珠巖載體上的納米晶粒TiO2厚度，將負(fù)載濕溶膠的載體通風(fēng)干燥一小時(shí)后，再將珍珠巖載體放置于烘箱，在60℃溫度下經(jīng)過3小時(shí)烘干，最后在空氣氣氛下以2℃/min的速度升溫至400℃，保持溫度4.5h，即得本發(fā)明所述的催化劑，形成納米晶粒TiO2層厚度為500nm。
實(shí)施例4光催化反應(yīng)器為長(zhǎng)方箱體，光源為254nm紫外燈管(100w)，光源放置于封閉石英容器下方3cm處，石英容器用箱內(nèi)支架固定。取如實(shí)施例1制備負(fù)載納米TiO2膨脹珍珠巖1g，放入裝有配置好的50ml活性艷藍(lán)溶液的石英容器中，在紫外光源照射下動(dòng)態(tài)降解3小時(shí)，降解同時(shí)通入空氣，空氣流量為30ml/min，TOC(有機(jī)碳含量)值由15.48(mg/L)降至0(mg/L)，深藍(lán)色染料溶液在一小時(shí)后完全脫色為無色透明溶液。降解處理曲線如圖4。
實(shí)施例5光催化反應(yīng)器為長(zhǎng)方箱體，光源為254nm紫外燈管(100w)，光源放置于封閉石英容器下方3cm處，石英容器用箱內(nèi)支架固定。取如實(shí)施例1制備負(fù)載納米TiO2膨脹珍珠巖0.5g，放入裝有配置好的50ml活性艷藍(lán)溶液的石英容器中，在紫外光源照射下靜態(tài)降解5小時(shí)，TOC(有機(jī)碳含量)值由15.48(mg/L)降至0.337(mg/L)，深藍(lán)色染料溶液在一小時(shí)后完全脫色為無色透明溶液。降解處理曲線如圖5。
權(quán)利要求
1.一種膨脹珍珠巖負(fù)載納米晶粒二氧化鈦光催化劑，其特征在于它是以膨脹珍珠巖為載體，負(fù)載有效量的納米晶粒TiO2層。
2.按照權(quán)利要求1所述的催化劑，其特征在于所述的負(fù)載納米晶粒TiO2的重量占催化劑重量的5～20％。
3.按照權(quán)利要求1所述的催化劑，其特征在于所述的膨脹珍珠巖的比重為0.5-0.9g/cm3。
4.按照權(quán)利要求1所述的催化劑，其特征在于所述的納米晶粒TiO2層的厚度為20～600nm。
5.權(quán)利要求1所述的膨脹珍珠巖負(fù)載納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)載體的制備將膨脹珍珠巖用含量為5～15％的鹽酸溶液浸泡4～12小時(shí)，取出后風(fēng)干2～10小時(shí)，經(jīng)過連續(xù)三次浸泡后，在通入空氣的條件下放入烘箱于150℃～300℃下焙燒1～5小時(shí)；2)催化劑活性組分前驅(qū)體的制備攪拌條件下在95％乙醇水溶液中同時(shí)加入醋酸和二乙醇胺，最后將前驅(qū)體鈦酸脂或硫酸氧鈦加入到上述混和溶液中，在密閉條件下將溶液靜置2～8日，得穩(wěn)定透明溶膠；3)固載將溶膠均勻涂抹在載體上，再將載體快速浸泡于溶膠中并快速取出，通過甩干裝置甩去多余的溶膠，重復(fù)2～5次達(dá)到負(fù)載于膨脹珍珠巖載體上納米晶粒TiO2厚度，然后將負(fù)載濕溶膠的載體通風(fēng)干燥一小時(shí)后，再將珍珠巖載體放置于烘箱，在40℃～130℃溫度下經(jīng)過1～7小時(shí)烘干，最后在空氣氣氛下以1～3℃/min的速度升溫至200～600℃，保持溫度1～6h，形成納米晶粒TiO2層，層厚度為20～600nm。
6.按照權(quán)利要求1所述的膨脹珍珠巖負(fù)載納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于前驅(qū)體是鈦酸丁脂、鈦酸正丙脂、鈦酸異丙脂、鈦酸四乙脂或硫酸氧鈦。
7.按照權(quán)利要求1所述的膨脹珍珠巖負(fù)載納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于前驅(qū)體溶液的體積比為前驅(qū)體∶乙醇∶水∶二乙醇胺∶醋酸＝1∶1～15∶1.5～6.5∶0.1～0.9∶0.01～0.05。
全文摘要
本發(fā)明涉及膨脹珍珠巖負(fù)載型納米晶粒二氧化鈦光催化劑及制備方法。首先以鈦酸丁脂、鈦酸正丙脂、鈦酸異丙脂、鈦酸四乙脂或硫酸氧鈦為前驅(qū)體制備溶膠，以多孔膨脹珍珠巖材料為載體，利用涂抹浸泡的方法將溶膠負(fù)載于膨脹珍珠巖多孔材料上，經(jīng)過冷風(fēng)和烘箱干燥載體上的濕溶膠層，煅燒含有形成納米晶粒TiO
文檔編號(hào)B01J37/02GK1792426SQ20051012252
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者張保龍 申請(qǐng)人:南開大學(xué)