一种N‑TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种N‑TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂及其制备方法和应用，制备方法步骤如下：(1)先将蚕沙置于高温管式炉中，通保护气体吹扫后，加热到500～1000℃进行高温碳化反应得到碳化蚕沙CS；(2)将钛酸丁酯加入选择性醇溶剂中，滴加到含有碳化蚕沙水溶液中，使钛酸丁酯水解生成无定型TiO2，得到A‑TiO2/碳化蚕沙材料；(3)通过等离子体辐射的方式对该材料进行表面修饰，得到N掺杂的A‑TiO2/碳化蚕沙材料；(4)将该材料在180‑500℃下焙烧，最后得到N‑TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂N‑TiO2/CS复合材料。本发明专利技术的双功能吸附材料，应用于醛类和苯系物挥发性有机物VOCs的同步吸附及催化降解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多孔炭材料领域，尤其涉及N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂材料及其制备方法。
技术介绍
多孔炭材料是一类高效率的常用吸附剂，它们的吸附容量较高、成本低廉、但这类碳材料表面常具有丰富的亲水基团(含氧基团)，表现出较强的亲水性。因此，在潮湿环境中由于水汽分子的竞争吸附而常常导致其吸附容量大幅度降低，尤其是对极性VOCs(如甲醛、乙醛等)，这个问题就变得尤为突出。研究表明：活性炭在相对湿度3.0RH％条件下对甲苯的吸附容量降低17％，在40.0RH％条件下对丁烷的吸附容量降低30％；当湿度增加至60和80％，活性炭对VOCs的吸附量则会损失70和85％。导致吸附容量急剧下降的主要原因是：亲水性基团/元素(如羧基或羟基等)可与水分子的H原子以氢键作用结合，极大削弱了非极性VOCs在吸附剂上的竞争吸附力，致使水分子优先抢占活性吸附位而降低了吸附剂对VOCs的吸附容量。与此同时，醛类VOCs呈现出与水相似的强极性物化性质，大大降低了吸附剂对醛类VOCs的选择性。因为，我们若想材料提高对醛类VOCs的吸附作用力，其结果必然导致材料对水分子的吸附作用力也会相应提高，很难同时实现材料的憎水性且对高选择性吸附醛类VOCs。
技术实现思路
本专利技术提出了一种对挥发性有机物VOCs具有吸附及光催化降解的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂及其制备方法，能在白炽灯环境下对VOCs进行快速吸附并降解，双功能吸附剂表面N的掺杂和TiO2可有效提升吸附剂对光波对VOCs的降解效率。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：本专利技术的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂主要由含量>40wt％的C，5-10wt％的N，含量7-22％的Ti以及O和H元素组成的三维炭骨架，所述的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的Langmuir比表面积为800-1150m2/g，孔隙率在30％以上。本专利技术的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的制备方法，包括如下步骤，(1)碳化蚕沙的制备：将蚕沙置于高温管式炉中，通保护气体吹扫后，按照2～8℃/min的升温速率将其加热到500～1000℃进行高温碳化反应得到碳化蚕沙，记为CS。(2)将钛酸丁酯溶于选择性醇溶剂中，滴加到含有碳化蚕沙的水溶液中，使钛酸丁酯水解生成无定型TiO2溶胶，所述的无定型TiO2溶胶被碳化蚕沙吸附，得到A-TiO2碳化蚕沙材料；(3)将A-TiO2碳化蚕沙放入等离子体反应器中，通入N2作为改性气体，等离子体反应器输出电压3-9kV，改性时间5-20min，改性后得到N-A-TiO2碳化蚕沙；再将其放入N2气氛的管式反应炉在180-500℃进行高温煅烧，制得N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂N-TiO2/CS；作为方案的进一步优选，所述步骤(1)中高温碳化反应时间为1～8h。作为方案的进一步优选，步骤(2)中所述的钛酸丁酯与碳化蚕沙的质量比为1:0.3～1.5。作为方案的进一步优选，步骤(2)中所述的所述钛酸丁酯与溶剂的质量体积比为1:7-55，碳化蚕沙与水的质量体积比为1:8-35。作为方案的进一步优选，所述选择性溶剂选自乙醇、乙二醇、丙醇中的一种或者一种以上的混合。作为方案的进一步优选，所述步骤(3)中管式反应炉的煅烧温度为180～500℃，煅烧时间为1～10h。所述的挥发性有机物VOCs，按照世界卫生组织的定义沸点在50℃-250℃的化合物，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。按其化学结构的不同，可以进一步分为八类：烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他。一般的挥发性有机物VOCs的主要成分有：烃类、卤代烃、氧烃和氮烃，它包括：苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等。本专利技术的基本原理及构思为：步骤(1)通过高温煅烧反应得到大比表面的多孔炭载体；步骤(2)通过钛酸丁酯水解将含TiO2负载到碳化蚕沙上形成高分散的催化位点；步骤(3)通过等离子体辐射，将N元素掺杂到TiO2碳化蚕沙上，同时TiO2从无定型向锐钛矿转型，提高催化位点的催化活性以及材料的憎水性；N掺杂有助于提高材料对光的吸附波长范围，进而提高双功能吸附剂对化学氧的吸附以及活性氧的传递。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术利用碳化蚕沙对纳微米催化剂的吸附作用将TiO2负载到碳化蚕沙上，可以获得高分散和高反应活性的光催化剂；再利用等离子体将N元素掺杂到A-TiO2/碳化蚕沙，经高温煅烧制备出N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂。本专利技术所得到的材料比表面积较高，其BET比表面积为700-1100m2/g远大于普通的TiO2材料(它们的BET约在150-200m2/g以下)，N的掺杂可以使材料对光波的吸收范围变宽，能在可见光的条件下对VOCs分子进行吸附及催化降解。2.本专利技术的所得到的产品具有催化和吸附两种功能，能先将VOCs吸附到材料表面，再通过N-TiO2的光催化作用将VOCs分子降解，比单纯的吸附剂具有更高的VOCs捕获能力，还能降低吸附剂脱附的能耗。3.本专利技术采用碳化蚕沙为载体，材料表面呈现非极性，弱化表面对水的吸附作用力，起到憎水效果。材料的这些特征使其成为一类在潮湿环境中高效捕获有害VOCs分子的优良吸附剂。例如在干燥/高湿度和低浓度(60RH％和<200ppm)情况下，该材料对甲醛、乙醛、苯、甲苯和二甲苯的吸附容量远超过活性炭和分子筛吸附材料。4.本专利技术所使用的载体是碳化蚕沙，属于废物利用，来源广泛且成本低廉，直接碳化法完成，且比表面较高，可使光催化剂以更大表面的状态高度分散，过程简单且环保。5.本专利技术的制备方法简单易操作，适合大规模工业化生产。附图说明图1是N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的SEM；图2是三种材料对甲醛的吸附降解效果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的描述，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。实施例1一种N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的制备方法，包括如下步骤，(1)碳化蚕沙的制备在N2气氛中将10.0g原蚕沙以5℃/min的升温速率升到500℃，并在500℃下保持3h以上后降温到室温，得到碳化蚕沙，记为CS。(2)A-TiO2碳化蚕沙材料的制备；将含有1.0g钛酸丁酯的乙二醇溶液(5mL)滴加到含0.3g碳化蚕沙的水溶液中(水溶液为2.5mL)，剧烈搅拌至充分水解生成无定型TiO2，制得A-TiO2碳化蚕沙材料；(3)N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的制备；将制得的A-TiO2碳化蚕沙材料1.0g放入等离子体反应器中，通入N2作为改性气体，等离子体反应器输出电压3kV，改性时间20min；然后将该材料置于高温管式炉在N2下180℃焙烧1h，制得N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂，N-TiO2/CS。实施例2一种N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的制备方法，包括如下步骤，(1)碳化蚕沙的制备在N2气氛中将10.0g原蚕沙以2℃/min的升温速率升到600℃，并在600℃下保持8h后降温到室温，到碳化蚕沙，记为CS。(2)A-TiO2碳化蚕沙材料的制备；将含有1.0g钛酸丁酯的乙醇溶液(30mL)滴加到含0.6g碳化蚕沙的水溶液中(水溶液为15mL)，剧烈搅拌至充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种N‑TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂，其特征在于：所述的N‑TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂，主要由含量>40wt％的C，5‑10wt％的N，含量7‑22％的Ti以及O和H元素组成的三维炭骨架，所述的N‑TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的Langmuir比表面积为800‑1150m2/g，孔隙率在30％以上。

【技术特征摘要】
1.一种N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂，其特征在于：所述的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂，主要由含量>40wt％的C，5-10wt％的N，含量7-22％的Ti以及O和H元素组成的三维炭骨架，所述的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的Langmuir比表面积为800-1150m2/g，孔隙率在30％以上。2.如权利要求1所述的N-TiO2碳化蚕沙双功能吸附剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，(1)碳化蚕沙的制备：将蚕沙置于高温管式炉中，通保护气体吹扫后，加热到500～1000℃进行高温碳化反应得到碳化蚕沙；(2)将钛酸丁酯溶于选择性醇溶剂中，滴加到含有碳化蚕沙的水溶液中，使钛酸丁酯水解生成无定型TiO2溶胶，无定型TiO2溶胶被碳化蚕沙吸附，得到A-TiO2/碳化蚕沙材料；(3)将A-TiO2/碳化蚕沙放入等离子体反应器中，通入N2作为改性气体，等离子体反应器输出电压3-9kV下进行改性反应，改性后得到N-A-TiO2/碳化蚕沙；再将其放入N2气氛的管式反应炉中煅烧，制得N-TiO2碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祯霞，武阳，胡鹏，赵钟兴，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45