一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法及其在降解糖蜜废液中的应用技术

一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法及其在降解糖蜜废液中的应用，本发明专利技术通过低温非水溶剂热法、以易溶于无水乙醇的三氯化铁作为铁源，制备了铁掺杂的纳米二氧化钛，过程优化了四氯化钛滴加速率、四氯化钛与乙醇的溶质比、反应温度等条件，所得到的二氧化钛不仅在可见光下具有较高的光催化活性，在水中也具有很高的分散性。本发明专利技术制备的铁掺杂TiO2可以用于糖蜜的废水处理中，并且不会引入二次污染。加入TiO2的量不需要很大就可以使糖蜜废液的脱色率达到近50%，在使用TiO2降解糖蜜废液的过程中，不需要对废水做任何的处理，整个过程方便实用，耗能低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法及其在降解糖蜜废液中的应用。
技术介绍
锐钛型二氧化钛是最有前途的一种光催化剂被用来降解有机污染物、废水处理等领域。然而二氧化钛的禁带宽度为3.2eV，这就限制了其在可见光范围内的光催化应用。同时，二氧化钛相对高的电子-空穴复合速率也经常导致其量子产率低下，从而造成光催化效率下降。这些问题都影响着二氧化钛在未来的进一步应用。为了解决二氧化钛的这些问题，人们进行了大量的研究。其中，利用非金属例如硫、氮、碳、氟等元素掺杂是一种很有前景的方法对于解决二氧化钛的这些问题。自从Asahi报道了通过铁掺杂来提高二氧化钛的可见光光催化活性后，越来越多的铁掺杂方法被开发出来来制备可见光活性的铁掺杂纳米二氧化钛，例如离子溅射法、可控水解法、溶胶-凝胶法等。不同的方法所制备出的二氧化钛都有一些不同的特性。在掺杂氮的过程中，可以发现不同的化学组分，例如NOx或者NHx。这些含氮组分实际上是在化学处理过程期间形成的从而导致最终的铁掺杂二氧化钛的产生，这其中最主要的问题是确定体系中的这些组分并且能够确定每种组分所扮演的作用。尽管大家都确定掺杂氮有助于提高二氧化钛在可见光下的光催化活性，但是其中的机理却仍然存在争议。Asahi等通过计算铁掺杂二氧化钛的能带结构认为，通过铁掺杂，部分氧原子被氮原子所取代，O2p轨道和N2p轨道混合，从而降低了二氧化钛的能带间隙，提高了二氧化钛对可见光的光响应。Irie等认为通过铁掺杂，氮取代氧的位置，从而在O2p的价带上方形成孤立的N2p窄带，这个新形成的窄带有助于提高二氧化钛对可见光光响应。Sperpone则认为铁掺杂二氧化钛对可见光的光响应是由于相应的缺陷引起的。他认为氮的掺杂会引起二氧化钛表面的氧空位缺陷，这些缺陷成为二氧化钛表面的色心，从而提高二氧化钛对可见光的光响应。Diwald等报道了掺杂到二氧化钛晶格间隙的氮组分也会使二氧化钛的能带变窄，从而提高二氧化钛对可见光的光响应。最近，Livraghi等利用组合实验和理论研究的方法计算出Nb.（二氧化钛中的单原子氮）在二氧化钛吸收可见光中扮演了重要的角色。它可以促进电子向导带移动，也可以促进电子向被吸附在二氧化钛表面的物质中转移，从而提高二氧化钛的可见光光催化效率。目前未见公开有采用低温非水溶剂热法制备在可见光下具有较高的光催化活性，且在水中也具有很高的分散性的铁掺杂纳米二氧化钛的方法。糖蜜废液是食品工业重要的污染源之一，其每年的排放量特别大，并且它的物理特性、化学特性、生物特性都非常的差，很难得到有效的降解。糖蜜废液的色素为棕色素，它的主要成分为焦糖色素、酚类色素还有多糖分解产物和氨基酸分解产物，废液的酸性较强，并且带有腐蚀性。目前国内还没有一套完整的成熟的糖蜜废液降解工艺。国内外科研工作者对降解糖蜜废液这一难题进行了许多研究，目前，糖蜜废液的治理技术有很多种，但效果都不太理想，难以做到达标排放。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法及其在降解糖蜜废液中的应用，该方法采用简单的低温非水溶剂热法，以易溶于乙醇的三氯化铁作为铁源，四氯化钛作为钛源，无水乙醇作为反应的溶剂，合成了高水分散性且具有可见光光催化活性的铁掺杂纳米二氧化钛，将此铁掺杂纳米二氧化钛应用于降解糖蜜废液中，仅需要使用较少的量，就能获得不错的脱色效果。解决上述技术问题的技术方案是：一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法，在室温下，将三氯化铁溶解到无水乙醇中，按1mL无水乙醇溶解0.005-0.025g三氯化铁计，并搅拌至完全溶解，得到黄色溶液，将四氯化钛以0.4～0.6mL/min的速率滴加到上述黄色溶液中，四氯化钛与无水乙醇的体积比为1:2.5～3.5，当滴加完四氯化钛后，再在室温下搅拌使加入的四氯化钛反应完全，将此黄色液体转移到高压反应釜中，在压力为3～5Mpa、温度为155～165℃下反应5.5～6.5h，降温，得到黄色的固体，用无水乙醇反复洗涤此固体以去除未反应的物质，随后在45～55℃下烘干，研磨即可得到铁掺杂纳米二氧化钛粉体。本专利技术的进一步技术方案是：滴加四氯化钛的速度是0.5mL/min。四氯化钛与无水乙醇的体积比为1:3。烘干是在鼓风干燥箱中进行。本专利技术的另一技术方案是：上述方法制备的高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛在降解糖蜜废液中的应用，取糖蜜废液加水稀释得糖蜜废液稀释液，水的加入量按1mL糖蜜废液加9～11mL水计，将铁掺杂纳米二氧化钛加水溶解配制成铁掺杂纳米二氧化钛溶液，然后调节铁掺杂纳米二氧化钛溶液的pH值为3～5，然后按1mL糖蜜废液稀释液加入0.002～0.004g铁掺杂纳米二氧化钛计，将糖蜜废液稀释液加入到铁掺杂纳米二氧化钛溶液中，混合均匀后在60W的LED灯下照射14～16h。铁掺杂纳米二氧化钛溶液的浓度为0.002～0.004g/mL。本专利技术通过低温非水溶剂热法、以易溶于乙醇的三氯化铁作为铁源，制备了铁掺杂的纳米二氧化钛，过程优化了四氯化钛滴加速率、四氯化钛与无水乙醇的溶质比、反应温度等条件，所得到的二氧化钛不仅在可见光下具有较高的光催化活性，并且在水中也具有很高的分散性。通过XRD表征分析可知，所制备出的Fe掺杂纳米二氧化钛为纯锐钛型，无其他晶型产生。并且在XRD谱图中并没有发现Fe2O3的峰出现，同时，Raman光谱中也没有出现Fe2O3的峰。因此，可以证明铁离子进入到了纳米二氧化钛的晶格内部。通过XPS分析，进一步证明铁原子可以进入到纳米二氧化钛的晶格中。通过紫外-可见光谱可以发现，随着铁掺杂量的上升，纳米二氧化钛的吸收边出现明显的红移。这是由于掺杂的铁离子可以在纳米二氧化钛的能隙中产生分离能级从而降低二氧化钛的能级间隙。同时，所掺杂的三价铁离子既可以束缚光生电子，又可以束缚光生空穴，因而可以有效的使光生电子-空穴进行分离，从而提高纳米二氧化钛的光催化活性。通过Fe掺杂TiO2降解糖蜜实验可以知道，TiO2完全可以用于糖蜜的废水处理中，并且不会引入二次污染。加入TiO2的量不需要很大就可以使糖蜜废液的脱色率达到近50%，并且由于糖蜜废液本身是呈酸性的，而实验结果也表明在铁掺杂纳米二氧化钛溶液的pH为3时，TiO2对糖蜜废液的一个脱色率可以达到较高值，因此在使用铁掺杂纳米二氧化钛的过程中，不需要对废水做任何的处理，整个过程方便实用，耗能低。附图说明图1为不同Fe掺杂浓度纳米二氧化钛的XRD谱图。用于判断所有样品的相组成、晶粒尺寸和相对结晶度。由图1可知：所有样品的衍射峰分别位于25.3，37.68°，47.82°，53.74°，55.16°，和62.57°处，代表（101）、（004）、（200）、（105）、（211）、（204）等晶面，均为锐钛型二氧化钛的衍射峰，表明Fe掺杂改性并未改变原有二氧化钛的晶型。但是，经过Fe掺杂改性的样品，其衍射峰强度降低，衍射峰的宽度变大，表明Fe掺杂改性后的样品，其结晶度下降，晶粒尺寸降低。另外，即使在Fe3+的掺杂量为1%的情况下，在图1也未发现关于Fe3+的新相，表明：Fe2O3或者FexTiOy等新相并不存在于Fe掺杂改性的样品中，Ti4+(0.68A˚)和Fe3+(0.64A˚)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：在室温下，将三氯化铁溶解到无水乙醇中，按1mL无水乙醇溶解0.005‑0.025g三氯化铁计，并搅拌至完全溶解，得到黄色溶液，将四氯化钛以0.4～0.6mL/min的速率滴加到上述黄色溶液中，四氯化钛与无水乙醇的体积比为1:2.5～3.5，当滴加完四氯化钛后，再在室温下搅拌使加入的四氯化钛反应完全，将此黄色液体转移到高压反应釜中，在压力为3～5Mpa、温度为155～165 ℃下反应5.5～6.5h，降温，得到黄色的固体，用无水乙醇反复洗涤此固体以去除未反应的物质，随后在45～55 ℃下烘干，研磨即可得到铁掺杂纳米二氧化钛粉体。

【技术特征摘要】
1.一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：在室温下，将三氯化铁溶解到无水乙醇中，按1mL无水乙醇溶解0.005-0.025g三氯化铁计，并搅拌至完全溶解，得到黄色溶液，将四氯化钛以0.4～0.6mL/min的速率滴加到上述黄色溶液中，四氯化钛与无水乙醇的体积比为1:2.5～3.5，当滴加完四氯化钛后，再在室温下搅拌使加入的四氯化钛反应完全，将此黄色液体转移到高压反应釜中，在压力为3～5Mpa、温度为155～165℃下反应5.5～6.5h，降温，得到黄色的固体，用无水乙醇反复洗涤此固体以去除未反应的物质，随后在45～55℃下烘干，研磨即可得到铁掺杂纳米二氧化钛粉体。2.根据权利要求1所述的一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于：滴加四氯化钛的速度是0.5mL/min。3.根据权利要求1所述的一种高水分散性铁掺杂纳米二氧化钛的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文艺，程昊，李利军，史智鹏，孔红星，冯军，李彦青，刘泉，罗应，
申请(专利权)人：广西科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45