专利名称：膨胀珍珠岩负载纳米晶粒二氧化钛光催化剂及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种膨胀珍珠岩负载纳米晶粒二氧化钛光催化剂及制备方法，该催化剂可以高效的催化降解废水中的各种有机物，适用于处理工业、生活废水中的有毒有害、生物难以降解的有机物。
背景技术：
随着科学技术的发展，现代工业得到了突飞猛进的发展，人民的物质生活水平日益提高，但是人类赖以生活的环境却遭到了越来越严重的破坏，人类面临着能源、资源、环境和健康等一系列问题。仅废水一项，对环境造成的危害已十分严重。据统计我国每生产1吨染料大约排放废水744m3。目前染料废水的治理率不足30％。常规的一些处理方法，由于种种原因效果并不理想，而且难以单独应用。生化处理染料废水虽然效果显著，但投资较大，管理要求高，而且各类废水的可生化能力也有着较大的差异，使其推广应用受到一定限制。70年代，John H.Carey等注意到TiO2水体系在光照条件下可非选择性地氧化(降解)有机物，并使之彻底矿化成CO2和H2O，这引起了各国环境科学工作者的关注。在此之后，国内外在此领域均进行了广泛而深入的探索，已取得了许多可喜的成绩，为这一问题的解决提供了新的途径。
纳米晶粒TiO2光催化降解法具有高效、节能、清洁无毒、催化范围广等优点，可以有效去除水体中多种有机污染物，在水处理研究领域具有广阔的应用前景。然而，TiO2纳米粉末的易失活、易凝聚和难回收的缺点，负载型的纳米晶粒TiO2光催化剂可以有效的克服粉末型缺陷。
膨胀珍珠岩具有自身有多孔径和价格便宜的优点，可作为负载体，由于此种载体颗粒具有很大的比表面积，因此可有效的将废水中的污染物吸附载体表面，从而加快了二氧化钛光催化降解有机污染物的过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种膨胀珍珠岩负载纳米晶粒二氧化钛光催化剂及制备方法。此种催化剂本身具有原料用量少、纳米二氧化钛阳光利用率高、制备时间短、污染小、适合工业化大量生产的优点，并且具有多孔结构，吸附能力较好，且比水密度小，适合做水处理光催化剂。
本发明提供的膨胀珍珠岩负载纳米晶粒二氧化钛光催化剂是以膨胀珍珠岩为载体，负载有效量的纳米晶粒TiO2层，所说的纳米晶粒TiO2的重量占催化剂的5～20％；所说的膨胀珍珠岩的比重为0.5-0.9g/cm3。所说的纳米晶粒TiO2层的厚度是层厚度为20～600nm。
本发明提出的膨胀珍珠岩负载纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，包括以下步骤1)载体的制备将膨胀珍珠岩用含量为5～15％的盐酸溶液浸泡4～12小时，取出后风干2～10小时，经过连续三次浸泡后，在通入空气的条件下放入烘箱于150℃～300℃下焙烧1～5小时。
2)催化剂活性组分前驱体的制备在95％乙醇溶液中加入水，在搅拌条件下同时加入醋酸和二乙醇胺(作为稳定剂)，最后将前驱体加入到上述混和溶液中，在密闭条件下将溶液静置2～8日，得稳定透明溶胶。
前驱体钛酸丁脂、钛酸正丙脂、钛酸异丙脂、或钛酸四乙脂或硫酸氧钛。
前驱体溶液的体积比为前驱体∶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)固载将溶胶均匀涂抹在载体上，再将载体快速浸泡于溶胶中并快速取出，通过甩干装置甩去多余的溶胶，重复2～5次达到负载于膨胀珍珠岩载体上纳米晶粒TiO2厚度，然后将负载湿溶胶的载体通风干燥一小时后，再将珍珠岩载体放置于烘箱，在40℃～130℃温度下经过1～7小时烘干，最后在空气气氛下以1～3℃/min的速度升温至200～600℃，保持温度1～6h，形成纳米晶粒TiO2层，层厚度为20～600nm。
本发明提供的膨胀珍珠岩负载纳米二氧化钛光催化剂本身具有原料用量少、纳米二氧化钛阳光利用率高、制备时间短、污染小、适合工业化大量生产的优点，并且具有多孔结构，吸附能力较好，且比水密度小，适合做水处理光催化剂。
图1膨胀珍珠岩和负载纳米晶粒TiO2光催化剂的电镜照片。
图2珍珠岩XRD图。
图3负载纳米TiO2后珍珠岩的XRD图。
图4静态处理染料废水降解曲线。
图5静态处理染料废水降解曲线。
具体实施例方式
下面通过实施例子对本发明进一步说明，所举之例并不影响本发明的保护范围实施例1将市售工业膨胀珍珠岩600g，比重为0.7g/cm3，用含量为5％的盐酸溶液浸泡8小时，取出后风干4小时，经过三次浸泡后，放入烘箱中在通入空气的条件下于250℃下焙烧4小时，烘干后即成为处理载体。
分别以钛酸丁脂为前驱体，前驱体溶液中各成分的体积比为钛酸丁脂∶95％乙醇∶水∶二乙醇胺∶98％醋酸＝1∶4∶4∶0.6∶0.02配成溶液，五种物质的加入顺序为首先在400ml乙醇溶液中加入水400ml，在搅拌条件下同时加入醋酸2ml和二乙醇胺60ml作为稳定剂，最后将钛酸丁脂100ml加入到上述混和溶液中，在密闭条件下将溶液静置5日，得稳定透明溶胶。
将上述制备的溶胶均匀涂抹在600g珍珠岩载体上，再将载体快速浸泡于上述溶胶中并快速取出，通过甩干装置甩去多余的溶胶，重复4次，通过控制涂抹次数和浸泡次数来控制负载于膨胀珍珠岩载体上的纳米晶粒TiO2厚度，将负载湿溶胶的载体通风干燥一小时后，再将珍珠岩载体放置于烘箱，在50℃温度下经过4小时烘干，最后在空气气氛下以1℃/min的速度升温至350℃，保持温度5小时即得本发明所述的催化剂，形成纳米晶粒TiO2层厚度为400nm。图1膨胀珍珠岩材料负载纳米晶粒TiO2光催化剂的电镜照片，A为负载前珍珠岩电镜；B为负载纳米TiO2后珍珠岩电镜。
实施例2将市售工业膨胀珍珠岩800g用含量为10％的盐酸溶液浸泡，取出后风干5小时，经过三次浸泡后，放入烘箱中在通入空气的条件下于250℃下焙烧4小时，烘干后即成为处理完毕的复合载体。
分别以钛酸正丙脂为前驱体，前驱体溶液中各成分的体积比为钛酸正丙脂∶乙醇∶水∶二乙醇胺∶38％盐酸＝1∶5∶4∶0.5∶0.02配成溶液，五种物质的加入顺序为首先在乙醇(下述乙醇皆是95％)500ml溶液中加入水，在搅拌条件下同时加入盐酸2ml和二乙醇胺50ml作为稳定剂，最后将钛酸正丙脂100ml加入到上述混和溶液中，在密闭条件下将溶液静置6日，得稳定透明溶胶。
将上述制备的溶胶均匀涂抹在800g珍珠岩载体上，再将载体快速浸泡于上述溶胶中并快速取出，通过甩干装置甩去多余的溶胶，重复3次，通过控制涂抹次数和浸泡次数来控制负载于膨胀珍珠岩载体上的纳米晶粒TiO2厚度，将负载湿溶胶的载体通风干燥一小时后，再将珍珠岩载体放置于烘箱，在60℃温度下经过3小时烘干，最后在空气气氛下以2℃/min的速度升温至400℃，保持温度4.5h即得本发明所述的催化剂，形成纳米晶粒TiO2层厚度为500nm。
实施例3将市售工业膨胀珍珠岩800g用含量为15％的盐酸溶液浸泡6小时，取出后风干5小时，经过三次浸泡后，放入烘箱中在通入空气的条件下于250℃下焙烧4小时，烘干后即成为处理完毕的复合载体。
催化剂活性组分为溶胶，分别以钛酸四乙脂为前驱体，前驱体溶液中各成分的体积比为钛酸四乙脂∶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，在搅拌条件下同时加入醋酸4ml和二乙醇胺30ml作为稳定剂，再将钛酸四乙脂100ml逐滴加入到上述混和溶液中，在密闭条件下将溶液静置2～8日，得稳定透明溶胶。
将上述制备的溶胶均匀涂抹在800g珍珠岩载体上，再将载体快速浸泡于上述溶胶中并快速取出，通过甩干装置甩去多余的溶胶，重复4次通过控制涂抹次数和浸泡次数来控制负载于膨胀珍珠岩载体上的纳米晶粒TiO2厚度，将负载湿溶胶的载体通风干燥一小时后，再将珍珠岩载体放置于烘箱，在60℃温度下经过3小时烘干，最后在空气气氛下以2℃/min的速度升温至400℃，保持温度4.5h，即得本发明所述的催化剂，形成纳米晶粒TiO2层厚度为500nm。
实施例4光催化反应器为长方箱体，光源为254nm紫外灯管(100w)，光源放置于封闭石英容器下方3cm处，石英容器用箱内支架固定。取如实施例1制备负载纳米TiO2膨胀珍珠岩1g，放入装有配置好的50ml活性艳蓝溶液的石英容器中，在紫外光源照射下动态降解3小时，降解同时通入空气，空气流量为30ml/min，TOC(有机碳含量)值由15.48(mg/L)降至0(mg/L)，深蓝色染料溶液在一小时后完全脱色为无色透明溶液。降解处理曲线如图4。
实施例5光催化反应器为长方箱体，光源为254nm紫外灯管(100w)，光源放置于封闭石英容器下方3cm处，石英容器用箱内支架固定。取如实施例1制备负载纳米TiO2膨胀珍珠岩0.5g，放入装有配置好的50ml活性艳蓝溶液的石英容器中，在紫外光源照射下静态降解5小时，TOC(有机碳含量)值由15.48(mg/L)降至0.337(mg/L)，深蓝色染料溶液在一小时后完全脱色为无色透明溶液。降解处理曲线如图5。
权利要求
1.一种膨胀珍珠岩负载纳米晶粒二氧化钛光催化剂，其特征在于它是以膨胀珍珠岩为载体，负载有效量的纳米晶粒TiO2层。
2.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于所述的负载纳米晶粒TiO2的重量占催化剂重量的5～20％。
3.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于所述的膨胀珍珠岩的比重为0.5-0.9g/cm3。
4.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于所述的纳米晶粒TiO2层的厚度为20～600nm。
5.权利要求1所述的膨胀珍珠岩负载纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤1)载体的制备将膨胀珍珠岩用含量为5～15％的盐酸溶液浸泡4～12小时，取出后风干2～10小时，经过连续三次浸泡后，在通入空气的条件下放入烘箱于150℃～300℃下焙烧1～5小时；2)催化剂活性组分前驱体的制备搅拌条件下在95％乙醇水溶液中同时加入醋酸和二乙醇胺，最后将前驱体钛酸脂或硫酸氧钛加入到上述混和溶液中，在密闭条件下将溶液静置2～8日，得稳定透明溶胶；3)固载将溶胶均匀涂抹在载体上，再将载体快速浸泡于溶胶中并快速取出，通过甩干装置甩去多余的溶胶，重复2～5次达到负载于膨胀珍珠岩载体上纳米晶粒TiO2厚度，然后将负载湿溶胶的载体通风干燥一小时后，再将珍珠岩载体放置于烘箱，在40℃～130℃温度下经过1～7小时烘干，最后在空气气氛下以1～3℃/min的速度升温至200～600℃，保持温度1～6h，形成纳米晶粒TiO2层，层厚度为20～600nm。
6.按照权利要求1所述的膨胀珍珠岩负载纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于前驱体是钛酸丁脂、钛酸正丙脂、钛酸异丙脂、钛酸四乙脂或硫酸氧钛。
7.按照权利要求1所述的膨胀珍珠岩负载纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于前驱体溶液的体积比为前驱体∶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
本发明涉及膨胀珍珠岩负载型纳米晶粒二氧化钛光催化剂及制备方法。首先以钛酸丁脂、钛酸正丙脂、钛酸异丙脂、钛酸四乙脂或硫酸氧钛为前驱体制备溶胶，以多孔膨胀珍珠岩材料为载体，利用涂抹浸泡的方法将溶胶负载于膨胀珍珠岩多孔材料上，经过冷风和烘箱干燥载体上的湿溶胶层，煅烧含有形成纳米晶粒TiO
文档编号B01J37/02GK1792426SQ20051012252
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年12月21日
发明者张保龙 申请人:南开大学