具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料及其制备方法。传统废水处理材料难以回收利用，且功能单一。本发明将模板剂加入六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，搅拌得到前驱体溶液；将陶瓷网基底浸渍到在前驱体溶液中热处理，水浴冷凝回流；pH值调到碱性继续反应后烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。本发明具有原料易得、操作简单等优点，所得材料既可以有效地降解废水中的有机污染物，同时对废水中的重金属离子具有良好的吸附作用，且产品可循环使用，有效地克服了单独使用无机粉体处理剂所引起的二次污染问题。
【专利说明】具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种废水处理材料，具体涉及一种具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现代社会水污染问题日益突出，污染物也各式各样，常规处理方法大部分已经无效或没有环境兼容性，并且各种有机污染物和重金属离子常常以痕量存在，因此开发新型有效的处理技术刻不容缓。
[0003]以半导体纳米材料为催化剂来降解水中有机污染物的光催化技术是一项很有前景的水治污技术，它除了在常温下能使大多数不能或难于生物降解的有毒有机物彻底氧化分解外，还具有反应条件温和，反应设备简单，处理成本相对较低等优点，是一种有效的污染治理技术，也是近年来环境保护科学研究的一个热点。但是，这种技术严重依赖于材料制备技术的发展水平。目前关于吸附材料的制备主要集中在一些多孔碳材料、多孔硅材料、功能化的多孔硅材料以及其他相关的介孔和具有分级结构的材料。不过就目前研究结果来说，这些具有新型结构的材料都有着一个共同的缺点:那就是由于这些材料具有很好的分散性能，使得这些本身具有很好吸附性能的材料不容易实现回收，这样就会对环境造成二次污染；再者，一些回收技术(如离心，磁分离等)会再次消耗一定的能源，不能达到真正意义上的低碳节能的效果。因此，开发并且合成一些能够克服上述缺点，且具有光催化和重金属吸附双重功能的废水处理材料依然是一项具有挑战性的任务。
[0004]ZnO是半导体光催化剂中非常高效的一种，在波长低于387.5nm的紫外光照射下，可产生光致电子空穴对，具有良好的催化特性。ZnO可以通过光辅助催化作用破坏各种有机污染物，导带上的电子具有适中的还原能力，能将水中的重金属离子还原，而不会去除水中对人体有益的矿物质元素。此外，ZnO己被证实其光催化性能不亚于T12，且其来源广泛，价格低廉，无毒、无污染，可以节约资源，降低处理成本，对开发有双重功能的新型废水处理材料具有深远的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料及其制备方法，克服传统废水处理材料难以回收利用、且功能单一的缺陷。
[0006]本发明所采用的技术方案是:
具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法，其特征在于: 由以下步骤实现:
步骤一:前驱体溶液的配制:
将0.004-0.008mol的模板剂加入到摩尔浓度为0.02-0.04mol/L的六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，六水合硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在室温下搅拌10-30min，得到前驱体溶液；
步骤二:陶瓷网基底上负载ZnO晶种:
将清洗干净的陶瓷网基底浸溃到在步骤一制得的前驱体溶液中，反应10_30min，60-80°C热处理lOmin，重复3_6次，即得负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底；
步骤三:中空多孔微纳结构ZnO材料的制备:
将步骤二得到的负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底和前驱体溶液一起转移到三口烧瓶中，80-90°C水浴冷凝回流l_2h，60-80°C烘30min ;重复2_4次后，采用弱碱溶液将体系pH值调到9-11，继续反应l-4h，取出样品，60°C烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。
[0007]步骤一中，模板剂为柠檬酸钠或三乙醇胺。
[0008]步骤三中，弱碱溶液为氨水或碳酸氢钠溶液。
[0009]如所述的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法制得的废水处理材料。
[0010]本发明具有以下优点:
本发明在传统纳米ZnO光催化材料制备的基础上，通过结构控制的方法，在陶瓷网基底上生长具有中空多孔微纳结构的ZnO材料，利用ZnO材料本身良好的光催化性能去除废水中的有机污染物，利用中空多孔微纳结构ZnO材料巨大的空腔及孔隙结构吸附水体中的重金属离子，材料成本低廉、易于回收再利用，有效地克服了水体的二次污染问题。
[0011]按照本发明所制备的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料(lX3cm)对10mg/L罗丹明溶液的光催化降6.5h时，降解效率达到了 98.96%，重复使用三次后降解效率仍在95%以上；对六价铬溶液的吸附量为87.16mg/g，重复使用三次后吸附量仍在60mg/g以上，具有良好的可循环使用性能，减少了二次污染问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为所得中空多孔微纳结构ZnO材料的XRD谱图。
[0013]图2为所得中空多孔微纳结构ZnO材料的SEM照片。
[0014]图3为所得中空多孔微纳结构ZnO材料对罗丹明B溶液在不同反应时间下的光催化降解效率。
[0015]图4为所得中空多孔微纳结构ZnO材料对罗丹明B溶液的光催化降解效率及循环使用效果。
[0016]图5为所得中空多孔微纳结构ZnO材料对废水中六价铬的吸附量及循环使用效果O
【具体实施方式】
[0017]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0018]本发明采用常规化学沉淀法和热处理工艺，将ZnO晶种负载到陶瓷基底上；接着，通过二次生长技术使得ZnO不断长大，获得具有微纳结构的ZnO ;最后，采用结构控制的方法，通过控制ZnO的成核和溶解，在陶瓷网上生长具有中空多孔微纳结构ZnO材料。利用ZnO材料本身良好的光催化性能去除废水中的有机污染物，利用中空多孔微纳结构ZnO材料巨大的空腔及孔隙结构吸附水体中的重金属离子，重金属离子包括铬、铜、铁、铅。
[0019]本发明所涉及的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法，由以下步骤实现:
步骤一:前驱体溶液的配制:
将0.004-0.008mol的模板剂加入到摩尔浓度为0.02-0.04mol/L的六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，六水合硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在室温下搅拌10-30min,得到前驱体溶液。
[0020]模板剂为柠檬酸钠或三乙醇胺。
[0021]步骤二:陶瓷网基底上负载ZnO晶种:
将清洗干净的陶瓷网基底浸溃到在步骤一制得的前驱体溶液中，反应10_30min，60-80°C热处理lOmin，重复3_6次，即得负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底。
[0022]步骤三:中空多孔微纳结构ZnO材料的制备:
将步骤二得到的负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底和前驱体溶液一起转移到三口烧瓶中，80-90°C水浴冷凝回流l_2h，60-80°C烘30min ;重复2_4次后，采用弱碱溶液将体系pH值调到9-11，继续反应l-4h，取出样品，60°C烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。
[0023]弱碱溶液为氨水或碳酸氢钠溶液。
[0024]实施例1:
步骤一:前驱体溶液的配制:
将0.004mol的模板剂加入到摩尔浓度为0.04mol/L的六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，六水合硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在室温下搅拌lOmin，得到前驱体溶液。
[0025]模板剂为柠檬酸钠。
[0026]步骤二:陶瓷网基底上负载ZnO晶种:
将清洗干净的陶瓷网基底浸溃到在步骤一制得的前驱体溶液中，反应30min，60°C热处理lOmin，重复6次，即得负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底。
[0027]步骤三:中空多孔微纳结构ZnO材料的制备:
将步骤二得到的负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底和前驱体溶液一起转移到三口烧瓶中，80°C水浴冷凝回流2h，80°C烘30min ;重复2次后，采用弱碱溶液将体系pH值调到11，继续反应lh，取出样品，60°C烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。
[0028]弱碱溶液为碳酸氢钠溶液。
[0029]实施例2:
步骤一:前驱体溶液的配制:
将0.006mol的模板剂加入到摩尔浓度为0.03mol/L的六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，六水合硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在室温下搅拌20min，得到前驱体溶液。
[0030]模板剂为三乙醇胺。
[0031]步骤二:陶瓷网基底上负载ZnO晶种: 将清洗干净的陶瓷网基底浸溃到在步骤一制得的前驱体溶液中，反应20min，70°C热处理lOmin，重复5次，即得负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底。
[0032]步骤三:中空多孔微纳结构ZnO材料的制备:
将步骤二得到的负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底和前驱体溶液一起转移到三口烧瓶中，85°C水浴冷凝回流lh，70°C烘30min ;重复3次后，采用弱碱溶液将体系pH值调到10，继续反应2h，取出样品，60°C烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。
[0033]弱碱溶液为氨水。
[0034]实施例3:
步骤一:前驱体溶液的配制:
将0.008mol的模板剂加入到摩尔浓度为0.02mol/L的六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，六水合硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在室温下搅拌30min，得到前驱体溶液。
[0035]模板剂为柠檬酸钠。
[0036]步骤二:陶瓷网基底上负载ZnO晶种:
将清洗干净的陶瓷网基底浸溃到在步骤一制得的前驱体溶液中，反应10min，80°C热处理lOmin，重复3次，即得负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底。
[0037]步骤三:中空多孔微纳结构ZnO材料的制备:
将步骤二得到的负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底和前驱体溶液一起转移到三口烧瓶中，90°C水浴冷凝回流2h，60°C烘30min ;重复4次后，采用弱碱溶液将体系pH值调到9，继续反应4h，取出样品，60°C烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。
[0038]弱碱溶液为碳酸氢钠溶液。
[0039]按照本发明所制备的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料(I X 3cm)对10mg/L罗丹明溶液光催化降6.5h时，降解效率达到了 98.96%以上，重复使用三次后降解效率仍在95%以上；对六价铬溶液的吸附量为87.16mg/g，重复使用三次后吸附量仍在60mg/g以上，具有良好的可循环使用性能，减少了二次污染问题。
[0040]本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法，其特征在于: 由以下步骤实现: 步骤一:前驱体溶液的配制: 将0.004-0.008mol的模板剂加入到摩尔浓度为0.02-0.04mol/L的六水合硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，六水合硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在室温下搅拌10-30min，得到前驱体溶液； 步骤二:陶瓷网基底上负载ZnO晶种: 将清洗干净的陶瓷网基底浸溃到在步骤一制得的前驱体溶液中，反应10-30min，60-80°C热处理lOmin，重复3_6次，即得负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底； 步骤三:中空多孔微纳结构ZnO材料的制备: 将步骤二得到的负载纳米ZnO晶种的陶瓷网基底和前驱体溶液一起转移到三口烧瓶中，80-90°C水浴冷凝回流l_2h，60-80°C烘30min ;重复2_4次后，采用弱碱溶液将体系pH值调到9-11，继续反应l-4h，取出样品，60°C烘干，即得具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料。
2.根据权利要求1所述的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法，其特征在于: 步骤一中，模板剂为柠檬酸钠或三乙醇胺。
3.根据权利要求2所述的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法，其特征在于: 步骤三中，弱碱溶液为氨水或碳酸氢钠溶液。
4.如权利要求3所述的具有光催化及重金属吸附功能可循环使用的废水处理材料的制备方法制得的废水处理材料。
【文档编号】B01J20/30GK104128159SQ201410395773
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】刘俊莉, 惠爱平, 韦泳君, 马建中 申请人:陕西科技大学