的粉末活性炭復(fù)合光催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種負(fù)載鐵離子和11〇2的粉末活性炭復(fù)合光催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前水廠對(duì)飲用水中異嗅味物質(zhì)二甲基異莰醇的治理工藝多為傳統(tǒng)工藝，包括曝 氣、混凝、沉淀、砂濾等，研宄學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了大量小試，（Lalezary S.，Pirbazari M. , McGuire M. J. and Krasner S. ff. Air stripping of taste and oder compounds from water. Jour. J腸i 1984,（3) :83-87)發(fā)現(xiàn)初始濃度是影響曝氣去除嗅味效果的主導(dǎo)因素， 去除率隨濃度升高而升高當(dāng)濃度，在l〇〇ng/L時(shí)，二甲基異莰醇去除率只有48% ;(汪俊育， 林財(cái)富，鳳山與港西凈水廠臭味問(wèn)題之研宄，第十七屆自來(lái)水論文集，2000, 49-65)對(duì)混凝、 沉淀、砂濾去除鳳山凈水廠的二甲基異莰醇去除率進(jìn)行研宄，發(fā)現(xiàn)去除率只有45%，殘余濃 度依然高達(dá)47ng/L;研宄者對(duì)活性炭吸附、化學(xué)氧化和高級(jí)氧化等處理工藝也進(jìn)行了深入 的探索，（Kim Y.，Lee Y.,Gcc C. S. and Choi E. Treatment of taste and oder causing substances in drinking water, 5bi. TfecA?，1997, 35(8) : 29-36.)進(jìn)行了臭氧活性炭 吸附模型研宄，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝處理后，再經(jīng)臭氧氧化，二甲基異莰醇去除率只有28. 1%，，而 直接的活性炭濾床工藝對(duì)其去除率只有20. 7%。但用載鐵的Ti02負(fù)載到細(xì)粒徑的粉末活性 炭上并將其用于去除異嗅味物質(zhì)二甲基異莰醇的光催化降解在之前尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。
[0003] 光催化技術(shù)具有無(wú)毒、反應(yīng)溫和、礦化率高，節(jié)約成本等優(yōu)勢(shì)已成為近年來(lái)的研宄 熱點(diǎn)，獲得業(yè)內(nèi)人士的廣泛推崇，同時(shí)越來(lái)越顯現(xiàn)其廣泛的應(yīng)用前景。
[0004] Ti02是典型的光催化材料，化學(xué)穩(wěn)定性高、無(wú)毒、對(duì)有機(jī)物的降解可徹底礦化、無(wú) 二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)公認(rèn)的極好光催化劑。但由于110 2禁帶較寬(約3. 2eV)，只能響 應(yīng)波長(zhǎng)小于387nm的紫外光，對(duì)不在該波長(zhǎng)范圍的光照或太陽(yáng)能利用率很低(低于5%)，光 生電子-空穴對(duì)壽命短，光量子產(chǎn)量低從而降低了光催化效率，制約了商業(yè)化的應(yīng)用發(fā)展。
[0005] 然而經(jīng)金屬摻雜的摻鐵/ 1102顆粒在光催化過(guò)程中又存在團(tuán)聚失活、分離與難回 收問(wèn)題，由此引起的成本高投入和降解率低下問(wèn)題向研宄人士提出了新的要求，因此Ti0 2 的負(fù)載固定化是能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?；?shí)用化的關(guān)鍵性問(wèn)題。對(duì)于該問(wèn)題的出現(xiàn)，之前 已有利用活性炭負(fù)載的相關(guān)報(bào)道。但活性炭由于顆粒較大、粒徑不均勻、活性位點(diǎn)受限、微 孔結(jié)構(gòu)不夠豐富等問(wèn)題，同樣制約了復(fù)合催化劑的光催化效率，目前現(xiàn)有技術(shù)中尚未發(fā)現(xiàn) 有經(jīng)金屬摻雜的摻鐵/ Ti02顆粒作為催化劑催化降解水中異嗅味物質(zhì)二甲基異莰醇的應(yīng) 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的之一是為了解決的上述的Ti02光響應(yīng)范圍窄、易團(tuán)聚失活、分離與 難回收等技術(shù)問(wèn)題而提供一種負(fù)載鐵離子和Ti0 2的粉末活性炭復(fù)合光催化劑，該負(fù)載鐵離 子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑實(shí)現(xiàn)Fe離子成功摻雜到TiO 2中，同時(shí)用粉末活性炭 取代傳統(tǒng)的顆?；钚蕴俊Ｒ虼吮景l(fā)明的負(fù)載鐵離子和11〇2的粉末活性炭復(fù)合光催化劑大 大提高了 Ti02的降解效率，并且由于負(fù)載鐵離子，因此便于負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性 炭復(fù)合光催化劑的循環(huán)利用和回收。
[0007] 本發(fā)明的目的之二是提供上述的一種負(fù)載鐵離子和1102的粉末活性炭復(fù)合光催 化劑的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的之三是利用上述負(fù)載鐵離子和1102的粉末活性炭復(fù)合光催化劑作 為催化劑催化降解水中異嗅味物質(zhì)二甲基異莰醇。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)原理 Ti〇2作為半導(dǎo)體材料其能帶間隙Eg=3. 2eV，最大吸收波長(zhǎng)局限于波長(zhǎng)小于387nm的紫 外光區(qū)，由此帶來(lái)其在該波長(zhǎng)外的其他光照條件或可見(jiàn)光下對(duì)目標(biāo)污染物光降解率低下， 引入過(guò)渡金屬鐵離子能夠大大拓寬Ti0 2的光響應(yīng)范圍，提高了該催化劑的光催化效率。
[0010] 粉末活性炭是一種粒徑很細(xì)小的炭粒，經(jīng)預(yù)處理篩分后粒徑均勻。有很大的表面 積、活性位點(diǎn)豐富、微孔結(jié)構(gòu)和中孔結(jié)構(gòu)數(shù)量多。而且炭粒中還有更細(xì)小的毛孔細(xì)管。這種 毛細(xì)管具有很強(qiáng)的吸附能力。由于炭粒的表面積很大，所以能與水體充分接觸。水中的有 機(jī)物等碰到毛細(xì)管時(shí)被吸附，起凈化作用。粉末活性炭作為載體擁有大量的結(jié)合位點(diǎn)，給負(fù) 載鐵離子和Ti0 2的粉末活性炭提供了有效的比表面積和孔的結(jié)構(gòu)，極好的改善了市售各種 活性炭的不足。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案 一種負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑，通過(guò)包括如下步驟的方法制備而 成： (1) 、粉末活性炭的預(yù)處理： 將粒徑為28-38 ym的粉末活性炭加入到質(zhì)量百分比濃度為10%的鹽酸水溶液中攪拌 30min后，靜止浸泡48~60h，抽濾、所得的濾餅用去離子水洗滌至流出液為中性，然后控制 溫度為80~120°C真空干燥4~8h，粉碎、過(guò)400-500目篩，篩下部分密封待用； (2) 、室溫下，將鈦酸四丁酯、無(wú)水乙醇和冰乙酸，按鈦酸四丁酯：無(wú)水乙醇：冰乙酸的 體積比為1:4:0. 66的比例進(jìn)行混合混勾，然后用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH為2~3,磁力攪拌30min 后超聲10~20min，得到溶液A ; (3) 、將無(wú)水乙醇和去離子水按無(wú)水乙醇：去離子水的體積比為2 :0. 94的比例進(jìn)行混 合，磁力攪拌30~60min后，將Fe (N03) ? 9H20加入其中繼續(xù)攪拌溶解，得到溶液B; 溶液 B 中 Fe (N03) ? 9H20 的濃度為 0? 0048-0. 0966mol/L ; (4) 、控制滴加速率為4-6ml/min，將溶液B加入到步驟（2)所得溶液A中，加入完畢后 繼續(xù)攪拌30~60min，超聲10~20min，形成摻鐵的Ti0 2溶膠； 溶液B的用量，按摩爾比計(jì)算，溶液B中Fe (N03) ? 9H20 :步驟（2)溶液A中鈦酸四丁 酯為 0.005 ~0? 1:1 ; (5) 、將步驟（1)過(guò)400-500目篩篩下部分的粉末活性炭加入到步驟（4)所得的摻鐵的 Ti02溶膠中，攪拌30~60min，再超聲震蕩1~3h，然后靜置陳化24~48h，然后再控制溫 度為80~120°C烘干1~4h，然后充分研磨，然后先在300°C大氣熱處理2~3h，再在高溫 焙燒爐中控制溫度為500°C隔絕空氣條件下進(jìn)行焙燒2~3h，然后隨爐冷卻，即得負(fù)載鐵離 子和110 2的粉末活性炭復(fù)合光催化劑； 步驟（1)過(guò)400-500目篩篩下部分的粉末活性炭的用量，按質(zhì)量比計(jì)算，步驟（1)過(guò) 400-500目篩篩下部分的粉末活性炭：摻鐵的1102溶膠中的Ti 4+為1 :0. 01-0. 1。
[0012] 上述所得的負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑，由于其結(jié)合了粉末活 性炭吸附能力強(qiáng)和摻鐵Ti0 2光催化效率高、產(chǎn)品成本投入低、易于制備等優(yōu)勢(shì)，因此該復(fù)合 光催化劑對(duì)水中痕量有機(jī)污染物二甲基異莰醇具有很好的催化降解能力，其用量按質(zhì)量比 計(jì)算，二甲基異莰醇：負(fù)載鐵離子和Ti〇d9粉末活性炭復(fù)合光催化劑為1:50000。
[0013] 上述所得的負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑使用后，其再生的方 法，步驟如下： 將上述反應(yīng)液中的使用后的負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑采用離 心的方式分離出，然后用去離子水進(jìn)行洗滌，然后過(guò)濾，所得的濾餅在60-80°C烘干后，在 28-32°C太陽(yáng)光下光照4-10h即完成負(fù)載鐵離子和Ti0 2的粉末活性炭復(fù)合光催化劑再生。
[0014] 上述再生后的負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑，可循環(huán)使用3-4 次，其對(duì)二甲基異莰醇的降解率依然能到達(dá)54. 87-88. 75%。
[0015] 本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明的一種負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑，成功利用溶膠-凝膠法 先將鐵離子摻雜到1102上，再將它們通過(guò)浸漬負(fù)載到粉末活性炭上，因此，最終所得的負(fù)載 鐵離子和110 2的粉末活性炭復(fù)合光催化劑中，過(guò)渡金屬鐵離子摻雜的Ti02能夠彌補(bǔ)單一 1102對(duì)光照的響應(yīng)帶寬偏窄的不足，因而光響應(yīng)范圍也從得到延伸，提高了 1102對(duì)光的有 效利用。
[0016] 進(jìn)一步，本發(fā)明的一種負(fù)載鐵離子和Ti02的粉末活性炭復(fù)合光催化劑，由于其制 備過(guò)程載體選用粒徑28-38 ym的粉末活性炭取代了普通的顆粒較大的活性炭，該情形下， 粒徑變小，比表面積變大，增加粉末活性炭與水體接觸面積，豐富的微孔和介孔也帶來(lái)活性 位點(diǎn)變多，吸附性能變強(qiáng)。同時(shí)，載體粉末活性炭的加入不僅提供了最終所得的符合光催化 劑循環(huán)利用和二次回收的新途徑，而且大大降低了處理成本和提高光催化效率，操作簡(jiǎn)單、 設(shè)備要求低