專利名稱：一種用鈦鐵精礦制備光觸媒材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光觸媒新材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用鈦鐵精礦制備光觸媒材料的方法。
背景技術(shù)：
世界上鈦鐵礦的儲(chǔ)量極其豐富，而我國(guó)鈦鐵礦的儲(chǔ)量居世界前列，以鈦鐵礦為原料制備高性能復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景。整體開發(fā)利用天然鈦鐵礦制備高附加值產(chǎn)品，使其增值，產(chǎn)生更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，遵循綠色生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
鈦鐵精礦是從鈦鐵礦或鈦磁鐵礦中采選出來的，原料來源廣泛。是由精選鐵后的礦渣經(jīng)過重選、磁選或電選得到的鈦及鐵含量都比較高的附加產(chǎn)品，一般用作制備鈦白粉、人造金紅石、高鈦渣等的初級(jí)原料。鈦白粉的生產(chǎn)方法主要有硫酸法和氯化法，硫酸法存在三廢多、能耗高和產(chǎn)品質(zhì)量低等問題，氯化法雖然流程短、環(huán)境污染相對(duì)較小，但是一般要以人工金紅石作為生產(chǎn)原料，對(duì)原料中鈦純度要求比較高?？傊?，目前對(duì)鈦鐵精礦的利用途徑性價(jià)比不高。
通過光催化氧化還原效應(yīng)降解有害污染物，無(wú)二次污染，是具有開發(fā)前途的綠色環(huán)保型催化技術(shù)。二氧化鈦光觸媒的研究最為廣泛，但是二氧化鈦光觸媒在實(shí)際應(yīng)用中受激發(fā)波長(zhǎng)的限制。由于TiO2的禁帶寬度為3.2eV，對(duì)應(yīng)的激發(fā)波長(zhǎng)在387nm，屬于紫外光區(qū)，而經(jīng)濟(jì)實(shí)用的光觸媒材料應(yīng)該能利用太陽(yáng)光中豐富的可見光部分。解決問題的方法之一是對(duì)二氧化鈦光觸媒進(jìn)行改性，其二就是研究開發(fā)新型光觸媒材料，尋找經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型光觸媒材料成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。已有文獻(xiàn)報(bào)道了通過過渡金屬元素鐵摻雜TiO2，半導(dǎo)體Fe2O3復(fù)合TiO2，磁性半導(dǎo)體Fe3O4復(fù)合TiO2，半導(dǎo)體ZnO復(fù)合TiO2，制備改性TiO2光觸媒材料。也有文獻(xiàn)報(bào)道了以鈦酸鋅ZnTiO3或尖晶石ZnFe2O4作為光觸媒材料光催化降解污染物，具有較高的光催化活性及對(duì)可見光敏感。多種類型的多金屬?gòu)?fù)合氧化物具有優(yōu)良的氧化還原性能，并在化學(xué)反應(yīng)中顯示較高活性，其中鈣鈦礦ABO3復(fù)合氧化物、類鈣鈦礦A2BO4復(fù)合氧化物及尖晶石AB2O4復(fù)合氧化物是三種不同結(jié)構(gòu)的新型半導(dǎo)體光觸媒材料，具有可見光利用率高、光催化效率高的特點(diǎn)，在處理污水、凈化空氣等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，且種類眾多，有望篩選出更為高效的光觸媒。
綜合以上研究信息，我們產(chǎn)生了整體利用天然鈦鐵精礦中的有價(jià)元素制備多相復(fù)合的新型光觸媒材料的想法。采取了操作簡(jiǎn)單的固相反應(yīng)焙燒法，制備低成本、高性能、高附加值的產(chǎn)品，提供了一條高效利用天然鈦鐵礦的嶄新途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用鈦鐵精礦制備光觸媒材料的方法，整體利用天然鈦鐵精礦制備高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，光催化性能良好，生態(tài)環(huán)保的光觸媒材料。
本發(fā)明所用原料為精選鐵后的礦渣經(jīng)重選、磁選而得到的鈦和鐵含量均較高的鈦鐵精礦，價(jià)格低廉，來源廣泛；引入一定量氧化鋅。
本發(fā)明的工藝步驟為a.原料粉碎用電磁制樣機(jī)粉碎鈦鐵精礦，得到粒度分布為0.3～20μm的粉料；b.配料鈦鐵精礦＝50～95質(zhì)量％，氧化鋅＝5～50質(zhì)量％；c.球磨以無(wú)水乙醇為研磨介質(zhì)，配料在球磨罐中球磨5～10h；d.干燥球磨后的料放入烘箱中，于溫度60～80℃下進(jìn)行干燥；e.液壓成型稱取干燥后的料裝入模具中，于30～60MPa壓力下壓制成型；f.焙燒在空氣氣氛和常壓下焙燒，焙燒溫度在400～1200℃，升溫速率為1～3℃/min，保溫時(shí)間為1～10h，保溫完畢自然冷卻至室溫；g.研磨將焙燒后的塊體產(chǎn)品粉碎，研磨后微粉的粒度在0.1～15μm。
制備的系列光觸媒粉體的光催化活性測(cè)試方法以有機(jī)染料甲基橙作為光催化降解對(duì)象，制備的系列光觸媒粉體作為光催化劑，以300W高壓汞燈為激發(fā)光源。試驗(yàn)過程為在石英槽中放入100ml不同濃度、不同pH值的甲基橙水溶液和不同用量的系列光觸媒粉體，超聲分散均勻制備懸浮液光催化體系，調(diào)節(jié)照射光源到液面的距離為10～20cm。先用增氧泵向懸浮液中鼓氣，數(shù)分鐘后開啟光源照射不同時(shí)間。將光催化降解后的懸浮液用離心機(jī)分離，以2000～4000r/min的離心速度離心分離兩次，取離心管中上層清液用于測(cè)試甲基橙溶液的光催化降解率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于制備的新型光觸媒粉體是由鈣鈦礦型、尖晶石及反尖晶石型、金紅石及其它氧化物半導(dǎo)體多種物相復(fù)合而成，光催化活性高，可見光響應(yīng)；光觸媒粉體的粒度為微米尺寸，微米粒級(jí)的光觸媒同樣有較高的光催化活性，且易從懸浮體系中回收重復(fù)利用。該制備方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，制備的光觸媒材料光催化性能優(yōu)良，符合綠色環(huán)保要求，提供了一條整體利用天然鈦鐵精礦制備高附加值產(chǎn)品的途徑。
可以用本發(fā)明制備的系列光觸媒粉體制作具有光催化性能的涂層、塊體或者涂料等新型環(huán)保材料。


圖1為本發(fā)明配料中鈦鐵精礦＝80質(zhì)量％和ZnO＝20質(zhì)量％的樣品在800℃保溫2h制得的光觸媒粉體的XRD物相分析圖。該圖說明制備的光觸媒粉體是由鈣鈦礦型、尖晶石及反尖晶石型、金紅石及其它氧化物半導(dǎo)體多種物相復(fù)合而成。
圖2為本發(fā)明配料中鈦鐵精礦＝80質(zhì)量％和ZnO＝20質(zhì)量％的樣品在800℃保溫2h制得的光觸媒粉體的粒度分布圖。該圖說明制備的光觸媒粉體粒度為微米尺寸。
圖3為本發(fā)明制備的系列光觸媒粉體的紫外可見漫反射吸收光譜曲線(a)鈦鐵精礦＝90質(zhì)量％和ZnO＝10質(zhì)量％，樣品在500℃保溫2h；(b)鈦鐵精礦＝70質(zhì)量％和ZnO＝30質(zhì)量％，樣品在600℃保溫1h；(c)鈦鐵精礦＝80質(zhì)量％和ZnO＝20質(zhì)量％，樣品在800℃保溫2h。該圖說明制備的系列光觸媒粉體在可見光區(qū)有強(qiáng)吸收。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1此實(shí)施例中所用鈦鐵精礦的化學(xué)成分為TiO2＝43.89質(zhì)量％，F(xiàn)e2O3＝40.09質(zhì)量％，MgO＝4.36質(zhì)量％，SiO2＝4.00質(zhì)量％，Al2O3＝2.12質(zhì)量％，CaO＝0.81質(zhì)量％，SO3＝0.78質(zhì)量％，MnO＝0.59質(zhì)量％，其它成分含量占有3.36質(zhì)量％。
將采集的鈦鐵精礦粉碎，用電磁制樣機(jī)粉碎后的鈦鐵精礦原料粒度分布在0.3～20μm，中位粒徑為2.95μm。鈦鐵精礦粉碎后在烘箱中進(jìn)行干燥。引入氧化鋅進(jìn)行配料，其中鈦鐵精礦＝80質(zhì)量％，ZnO＝20質(zhì)量％，氧化鋅為化學(xué)分析純。以無(wú)水乙醇作為研磨介質(zhì)，配料在球磨罐中球磨7h。球磨后的混合料在80℃溫度下干燥。稱取8.0g干燥后的料裝入模具中，加壓到50MPa，成型樣品為圓餅狀塊體。將樣品放在氧化鋁坩鍋中，在管式高溫爐中焙燒，焙燒溫度為600℃，升溫速率為2℃/min，保溫時(shí)間為1h，隨后自然冷卻至室溫。將焙燒后的塊體制品粉碎，研磨得到光觸媒粉體。
光催化活性測(cè)試在石英槽中放入100ml初始濃度為5mg/L、pH＝3.00的甲基橙水溶液和實(shí)施例1制備的500mg光觸媒粉體，超聲分散30min，得到懸浮體系溶液，再加入0.2ml H2O2＝5體積％。以一個(gè)300W高壓汞燈為光源照射，光源距離液面20cm。光催化降解過程中用增氧泵向懸浮液中鼓氣，開啟光源照射60min。本實(shí)施例制備的光觸媒粉體對(duì)甲基橙溶液的光催化降解率為82.45％。
實(shí)施例2本實(shí)施例所用的初始原料及工藝步驟與實(shí)施例1相同，所不同的是配料中鈦鐵精礦＝90質(zhì)量％，ZnO＝10質(zhì)量％；焙燒溫度為500℃，保溫時(shí)間為2h；光催化活性測(cè)試表明本實(shí)施例制備的光觸媒粉體對(duì)甲基橙溶液的光催化降解率為72.89％。
實(shí)施例3本實(shí)施例所用的初始原料及工藝步驟與實(shí)施例1相同，所不同的是配料中鈦鐵精礦＝80質(zhì)量％，ZnO＝20質(zhì)量％；焙燒溫度為800℃，保溫時(shí)間為2h；光催化活性測(cè)試表明本實(shí)施例制備的光觸媒粉體對(duì)甲基橙溶液的光催化降解率為59.66％。
權(quán)利要求
1.一種用鈦鐵精礦制備光觸媒材料的方法，其特征在于工藝步驟為a.原料粉碎用電磁制樣機(jī)粉碎鈦鐵精礦，得到粒度分布為0.3～20μm的粉料；b.配料鈦鐵精礦＝50～95質(zhì)量％，氧化鋅＝5～50質(zhì)量％；c.球磨以無(wú)水乙醇為研磨介質(zhì)，配料在球磨罐中球磨5～10h；d.干燥球磨后的混合料放入烘箱中，于溫度60～80℃下進(jìn)行干燥；e.液壓成型稱取干燥后的料裝入模具中，于30～60MPa壓力下壓制成型；f.焙燒在空氣氣氛和常壓下焙燒，焙燒溫度在400～1200℃，升溫速率為1～3℃/min，保溫時(shí)間為1～10h，保溫完畢自然冷卻至室溫；g.研磨將焙燒后的塊體產(chǎn)品粉碎，研磨后微粉的粒度在0.1～15μm。
全文摘要
一種用鈦鐵精礦制備光觸媒材料的方法，屬于光觸媒新材料技術(shù)領(lǐng)域。工藝步驟為將鈦鐵精礦粉碎，配料，球磨，干燥，成型，焙燒，冷卻，研磨成細(xì)粉以測(cè)試其光催化活性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于制備的新型光觸媒粉體是由鈣鈦礦型、尖晶石及反尖晶石型、金紅石及其它氧化物半導(dǎo)體多種物相復(fù)合而成，光催化活性高，可見光響應(yīng)；光觸媒粉體粒度分布為微米尺寸，微米粒級(jí)的光觸媒同樣有較高的光催化活性，且易從懸浮體系中回收重復(fù)利用。該制備方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，制備的光觸媒材料光催化性能優(yōu)良，符合綠色環(huán)保要求，提供了一條整體利用天然鈦鐵精礦制備高附加值產(chǎn)品的途徑。
文檔編號(hào)B01J23/80GK1857768SQ20061001212
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6日
發(fā)明者徐利華, 邸云萍, 王緩 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)