一种光催化陶粒及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种光催化陶粒及制备方法和应用。首先采用污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙等原材料制成陶粒，再将通过溶胶‑凝胶法制成的Sm掺杂TiO2纳米粉体，经水热法制成TiO2纳米管并完成其与陶粒的负载，最后将多孔陶粒在N2条件下进行气相烧结完成N元素对TiO2纳米管的掺杂改性。本发明专利技术涉及到的原料廉价、工艺细腻，所制备的陶粒粒径均匀、大小可调，所负载的改性TiO2纳米管长度适中、管径均匀、比表面积大，与陶粒间具有很强的附着力且光催化活性高，可用于有机废水的光催化处理，亦可用于气相有机物的氧化降解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化材料
，具体涉及一种光催化陶粒及制备方法和应用，更具体的涉及一种负载钐、氮共掺杂钛纳米管的光催化陶粒及制备方法和应用。
技术介绍
半导体光催化技术在近年来发展迅猛，其中坚力量尤以TiO2为甚。通常TiO2有三种晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。从1972年Fujishima等发现二氧化钛在光照条件下将水分解为H2和O2后，科研工作者对二氧化钛的研究从未停止。二氧化钛作为一种n型半导体其禁带宽度较宽，在锐钛矿晶型下禁带宽度为3.2ev，在金红石晶型下禁带宽度为3.0ev，当其受到波长小于或等于387.5nm的紫外光照射时，价带电子获得能量被激发到导带，这样就形成了价带电子和导带空穴，也就是电子-空穴对。空穴具有极强的氧化性，能直接与附着于二氧化钛表面的有机物发生氧化还原反应，并将其氧化成水和二氧化碳等无害物质，也能与附着在二氧化钛表面的氢氧根离子和水发生反应，将其氧化成羟基自由基(·OH)，羟基自由基同样具有很强的氧化性，能够氧化分解多种有机物。而光生电子也会与附着在二氧化钛表面的氧气发生反应生成超氧阴离子自由基(·O2-)，该自由基同样具有很强的氧化性，能够使有机物氧化分解。由于二氧化钛自身条件受限，导致其只能利用在自然光中所占比例极小的紫外光，科研工作者为使其广泛的利用所占比例巨大的可见光进行了很多的探索，如改变材料粒径将其做成纳米级别、掺杂等。纳米TiO2是20世纪80年代后期出现的一种新型半导体材料。它是指TiO2三维尺寸介于1nm-100nm之间。当TiO2为纳米级别时，其自身具有诸多不同于普通TiO2的新型特征，如：表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等。主要表现为比表面原子比例高、比表面积大、表面晶格缺陷度大、表面能高、熔点低等特点，因而具有优越的光学、电学、磁学、热学、光催化性能，在光电转换及光催化降解大气和水中的有机污染物等诸多方面具有广阔的应用前景。科学家为了进一步提高纳米TiO2的性能，在碳纳米管的启发下制备出来TiO2纳米管，TiO2纳米管具有比纳米粉体和薄膜更大的比表面积，在光催化方面具有更高的原子利用率，是一种进一步提高其光催化性能的新途径。近几年来，对TiO2纳米管的掺杂改性已经取得了许多重要成果，但共掺杂的改性则报道的较少且没有找到一种廉价的负载材料使其与TiO2纳米管结合。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种负载钛纳米管的光催化陶粒及其制备方法，将TiO2纳米管和价廉的载体结合起来，提高催化剂的性能。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案之一是：一种光催化陶粒，所述光催化陶粒是以改性TiO2纳米粉体和陶粒载体为原料，经水热处理和N2氛围焙烧得到。其中，所述改性TiO2纳米粉体是以含改性元素的化合物、钛源为原料，采用溶胶-凝胶法制备得到。所述改性元素选自Sm、La、Eu中的一种或几种，优选为Sm。当所述改性元素为Sm时，该Sm元素可由硝酸钐、锆酸钐、硫酸钐、醋酸钐中的一种或多种提供，优选为硝酸钐。当所述改性元素为La时，该La元素可由硫酸镧、硝酸镧、氯化镧中的一种或多种提供，优选为硫酸镧。当所述改性元素为Eu时，该Eu元素可由硝酸铕、氯化铕、硫酸铕中的一种或多种提供，优选为硝酸铕。所述钛源选自钛酸四丁酯、四氯化钛、钛酸四异丙酯中的一种或几种，优选为钛酸四丁酯。所述改性TiO2纳米粉体可采用本领域公知的溶胶-凝胶法制备得到，本专利技术优选按照如下方法制备：将含改性元素化合物分散在pH1-3的醇溶液中得A溶液，将钛源加入醇溶剂中得B溶液，将B溶液滴加到A溶液中，搅拌形成凝胶，经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末，将所述TiO2粉末于350-450℃煅烧即得。优选地，按摩尔比，Ti：改性元素＝(50-150)：1，优选为100：1。优选地，所述醇选自乙醇、甲醇、丙醇中的一种或多种，优选为乙醇。优选地，含改性元素化合物与醇溶液的重量体积比(g：mL)为1：(100-200)，优选为1:150；钛源与醇溶剂的体积比为1：(2-4)，优选为1:3。在一种优选的实施方式中，通过如下方法能够制备得到Sm掺杂改性的TiO2纳米粉体：按摩尔比Ti：Sm＝(50-150):1，将硝酸钐分散在乙酸调节pH1-3的乙醇溶液中，记为A溶液，将钛酸四丁酯加入乙醇溶剂中得B溶液，将B溶液滴加到A溶液中，搅拌形成凝胶，经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末，将所述TiO2粉末于350-450℃煅烧即得。可采用与Sm掺杂改性的TiO2纳米粉体相似的方法制备La或Eu掺杂改性的TiO2纳米粉体。所述陶粒载体是以污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙为原料，经造粒、烧结得到。其中，所述污泥为污水处理过程中产生的半固体或固体物质，其含水率为90％-99％，本专利技术所述污泥可来自普通污水处理厂，以污泥作为陶粒的原料，是一种废物再利用，实现了以废治废，此外，粘土及其他原料成本极低，非常适合于大规模应用。优选地，按重量份计，所述陶粒是由30-50份污泥，30-50份粘土，10-20份活性炭或木屑，10-20份氢氧化钙制备得到的。其中，所述粘土选自高岭土、膨润土、活性白土中的一种或几种。在优选的实施方式中，陶粒可采用如下原料制备得到：(1)40份污泥，40份高岭土，10份木屑，10份氢氧化钙；(2)50份污泥，30份膨润土，10份活性炭，15份氢氧化钙；(3)30份污泥，50份活性白土，20份木屑，10份氢氧化钙。所述重量份为本领域公知的μg、mg、g、kg等重量单位，或为其倍数，如1/100，1/10，10倍，100倍等。陶粒可按本领域常规技术手段制备，即先将各原料混合均匀调制成泥浆，然后采用造粒机将泥浆制成所需形状的泥粒，晾干成泥坯，然后进行烧结。所述泥粒的形状可为球状、棒状等，本专利技术优选将陶粒制备成粒径2-6mm的球状颗粒。本专利技术优选按照以下条件对泥坯进行烧结：以不超过100℃/h的速率升温至550-600℃，保温1.5-2h，以100-110℃/h的升温速率继续升温至800-1100℃，保温2.5-4h，以150-200℃/h的速率降至室温。采用上述方法制备得到的陶粒粒径均匀，是一种具有较强吸附能力的多孔状材料，一方面对废水或空气中的有机物具有一定的吸附作用，另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光催化陶粒，其特征在于：以改性TiO2纳米粉体和陶粒载体为原料，经水热处理和N2氛围焙烧得到。

【技术特征摘要】
1.一种光催化陶粒，其特征在于：以改性TiO2纳米粉体和陶粒
载体为原料，经水热处理和N2氛围焙烧得到。
2.根据权利要求1所述的光催化陶粒，其特征在于：所述改性TiO2纳米粉体是以含改性元素的化合物、钛源为原料，采用溶胶-凝胶法
制备得到，所述改性元素选自Sm、La、Eu中的一种或几种，优选为
Sm。
3.根据权利要求1或2所述的光催化陶粒，其特征在于：所述陶
粒载体是以污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙为原料，经造粒、
烧结得到。
4.一种制备光催化陶粒的方法，其特征在于：将改性TiO2纳米
粉体和陶粒混合后，以碱液为介质在110-130℃反应20-30h，过滤，酸
洗和/或水洗陶粒至中性，将陶粒在N2氛围中于550-650℃焙烧5-7h即
得。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：改性TiO2纳米粉体
和陶粒的重量比为1：(5-15)，优选为1:10。
6.根据权利要求4-5任一项所述的制备方法，其特征在于：所
述改性TiO2纳米粉体制备方法为：按照摩尔比Ti：改性元素＝
(50-150)：1，将含改性元素化合物分散在pH1-3的醇溶液中得A
溶液，将钛源加入醇溶剂中得B溶液，将B溶液滴加到A溶液中，
搅拌形成凝胶，经陈化、干燥、研磨得TiO2粉末，将所述TiO2粉末
于350-450℃煅烧即得；
优选地，所述醇选自乙醇、甲醇、丙醇中的一种或多种。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏磊，王永强，
申请(专利权)人：苏磊，
类型：发明
国别省市：北京;11