纳米级二氧化钛光催化净化环境材料的制备方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种通过水解法获得纳米级二氧化钛的方法和设备，本工艺通过方便地控制各种反应物的进料和各种反应条件可以获得１～１００ｎｍ，尤其是２０～３０ｎｍ的比表面积大的纳米级的晶体粒径均一的针状二氧化钛晶体，其是在普通的设备中常温实现的，因此，与现有技术中的高温气相法相比，其制备成本可降低一半，其于现有的液相溶胶凝胶法相比，其制备成本也降低三分之一。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及催化剂制备领域，尤其涉及纳米级二氧化钛光催化环境材料的制备。以纳米二氧化钛半导体材料为基础的光催化技术是近年来发展起来的环境净化技术。纳米二氧化钛在阳光或荧光灯的紫外线照射后，内部的电子会发生激励，其结果是产生了带负电的电子和带正电的空穴。电子使空气或水中的氧还原，生成双氧水，而空穴则会氧化表面的水分子产生羟基原子团，这些都是活性氧，有着强大的氧化分解能力，从而能够分解、清除附着在氧化钛表面的各种有机物，另外，二氧化钛还有不易分解和超亲水性，在净化环境方面有着得天独厚的优势。现有技术中制备纳米级二氧化钛的方法大致有气相法、固相法和液相法三种，气相法和固相法或是工艺复杂或是反应温度高、能耗大、设备复杂、实施困难。液相法中主要有金属醇盐水解法和溶胶法，这些方法工艺当中或是有萃取、蒸馏或是要用超声波分散，也比较复杂。以上复杂的工艺、复杂的设备和大的能耗均使制备TiO2的成本提高，不利于这种很好的净化环境材料的推广应用。本专利技术的目的是这样实现的 本制备方法是用雾化水解的方法制备纳米二氧化钛的，其步骤如下A、配制反应物溶液a、制备0.1-2mol/L的钛盐溶液；b、制备浓度为10-18％(重量％)的NH3·H2O溶液或3-6mol/L的(NH4)2SO4溶液；c、制备浓度为5.0-20％(重量％)的NaOH或KOH碱溶液。B、雾化水解在常温下将上述钛盐溶液、氨水和碱液各自以雾状加入反应罐中混合进行水解反应，其反应式中钛盐的进料速度为10-50L/h，氨水的进料速度以保证NH3与Ti4+的摩尔比满足Ti4+∶NH3＝1∶0.3-1.0为准，恒定碱液的加入量，以保持反应罐中的PH稳定在10-14，最佳的酸碱度为13±0.1。反应温度为20～60℃。反应液中的Ti4+的含量最好在0.1～10毫克(mg)/L，最佳的是3～5毫克/L。使各反应物以雾状定量加入，Ti4+盐和氨水从反应罐的底部喷入，碱液从反应罐的上部喷入，喷入物料的水珠的直径最好是小于1微米(μm)，这是通过定量泵实现的，泵加料压力为1-10kg/cm2。在反应过程中实施强制搅拌，搅拌桨的转速为100-600转/分。反应物在反应釜中的停留时间为2-6小时，最佳值是3-4小时。C、对由反应罐中排出的物料进行过滤、洗涤。D、将洗净滤过的产物在500-850℃煅烧5-15小时，即得纳米二氧化钛。本方法以雾化加料方法使各反应物混合，在定量泵的压力下反应物以大约1微米大的液滴进入反应罐进行混合，各反应物的接触非常均匀，再加上强制搅拌，可以使反应罐中每个角落反应物的摩尔比均是恒定。另外，在恒定均匀的给料条件下，使反应在恒定的氨环境下进行是很重要的。根据试验得知，反应过程中氨的加入量的大小对生成物晶粒的形状有很大的影响，如氨量较大，易形成球状晶体，而氨量较小，易形成针状晶体，如果氨量过小，则形成的晶体为无规则形。根据二氧化钛的应用得知，针状二氧化钛晶粒其净化环境的效率比较好，在本专利技术的水解反应是反应液中Ti4+的浓度的控制可以使结晶度得到很好的控制，反应液中的Ti4+的含量在0.1～10毫克/L之间对获得纳米级的二氧化钛晶体也是重要的，反应液中Ti4+的浓度过大，会使结晶过于充分，结果是使晶体生长过快，且晶粒的表面积小(主要是其内部孔隙小)，但如果Ti4+的浓度太小，则不利于晶体的生长，尤其是限制了晶体的定向生长，也无法获得所需的针状晶粒；而通过对反应液中Ti4+的浓度的监测控制可以及时地对钛盐的进料量作调整，并控制NH3·H2O的加入量，保证Ti4+∶NH3在1∶0.3-1.0之间，在实际的操作中这样可以比较精确地保证反应液中Ti4+的浓度恒定，而得到所希望得到的细度的晶粒，且使晶粒可定向生长成为针状晶体，并使得到的晶体的内部孔隙大。另外，确保恒定的PH值可以控制晶核的形成速度。本专利技术的反应还可以在几个串联的反应罐中进行，在几个反应罐中，可以对各自的反应液的PH值进行分段控制，因为PH值较大，有利于形成晶核，而PH值较小，有利于晶核的长大，所以，分段控制是这样进行的在前面的反应罐中反应液的PH值控制在较高的数值上，而在后的反应罐中反应液的PH值控制在较低的数值上。控制反应物在反应罐中的停留时间，可以限制反应罐中溶液中Ti4+的浓度从而控制晶粒的长大速度。100-600rpm高速强制搅拌，也可以有效地控制晶粒的长大而得到纳米级的二氧化钛晶粒。本专利技术的上述工艺可在以下的设备中完成，所述的设备包括反应罐、定量泵，在所述反应罐中设有搅拌轴，在所述搅拌轴上下固有两个搅拌器，在上的可以是桨式搅拌桨，在下的最好是曲线式搅拌器，其桨叶为弧形板，在搅拌时以凸面推动液体，推力大阻力小，在其后的凹陷部分会产生旋涡，使反应液处于较大的紊流状态。在所述反应罐的下部设喷头分别与输送Ti4+和氨水的定量泵的排液管连接，所述喷嘴可在罐的圆同方向上均匀的3-4个，或是带有喷孔的盘管，在所述反应罐的上部设有同样的喷头与输送碱液的定量泵的排液管相连接，在反应罐的上部设有溢流口，供反应液溢流排出。所述的反应罐也可以是若干个串联在一起，以适应反应液在反应罐中长时间停留的需要，而不至于将反应罐做得太大，而使各反应物分散不匀和使搅拌费力，相邻反应罐之间前一个反应罐的溢流口通过管路与后一个反应罐的进料口，最后一个罐的出料口设于罐底。串联几个反应罐是为了使反应物在其中停留足够长的时间，为了获得所需的晶粒，儿个反应罐的容积从前向后逐渐增大，在各个反应罐中的反应液均设加料喷头，以保证其中恒定的酸碱度、Ti4+以及氨水的浓度。本专利技术提供的二氧化钛的制备工艺通过方便地控制各种反应物的进料和各种反应条件可以获得1～100nm，尤其是20～30nm的比表面积大的纳米级的针状二氧化钛晶体，其是在普通的设备中常温实现的，因此，与现有技术中的高温气相法相比，其制备成本可降低一半，其于现有的液相溶胶凝胶发相比，其制备成本也降低三分之一。使用本专利技术提供的工艺获得的二氧化钛晶体粒径均一，通过反应条件的上述控制，可以得到比表面积大、针状纳米级晶体。B、雾化水解在常温下将上述钛盐溶液、氨水和碱液各自以雾状加入反应罐中混合进行水解反应，其反应式中钛盐的进料速度为50L/h，氨水的进料速度为25L/h，以保证NH3与Ti4+的摩尔比满足Ti4+∶NH3＝1∶0.3-1.0为准，恒定碱液的加入量为1.5L/h，以保持反应罐中的PH稳定在13.10±0.1。反应液中的Ti4+的含量在3～5毫克/L。使各反应物以雾状定量加入，Ti4+盐和氨水从反应罐的底部喷入，碱液从反应罐的上部喷入，喷入物料的水珠的直径最好是小于1微米(μm)，这是通过定量泵实现的，泵加料压力为5kg/cm2。在反应过程中实施强制多层搅拌器的搅拌，搅拌桨的转速为300转/分。反应温度在50±1℃。反应物在反应釜中的停留时间为3-4小时。C、对由反应罐中排出的物料进行过滤、洗涤。D、将洗净滤过的产物在650℃煅烧5-15小时，即得纳米二氧化钛。如附图说明图1所示，本专利技术提供的设备包括反应罐1、2和3，定量泵4、5和6，在各反应罐中1、2和3设有搅拌轴11、21和31，在搅拌轴11、21和31的上下固有两个搅拌器，在上的是桨式搅拌桨12、22和32，在下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级二氧化钛光催化净化环境材料的制备方法，其步骤如下： Ａ、配制反应物溶液 ａ、制备０．１－２ｍｏｌ／Ｌ的钛盐溶液； ｂ、制备浓度为１０－１８％（重量％）的ＮＨ↓［３］.Ｈ↓［２］Ｏ溶液或３－６ｍｏｌ／Ｌ的（ＮＨ↓［４］）↓［２］ＳＯ↓［４］溶液； ｃ、制备浓度为５．０－２０％（重量％）的ＮａＯＨ或ＫＯＨ碱溶液； Ｂ、雾化水解 在常温下将上述钛盐溶液、氨水和碱液各自以雾状加入反应罐中混合进行水解反应，其反应式中： Ｔｉ↑［４＋］＋３ＯＨ↑［－］＋ＮＨ↓［３］.Ｈ↓［２］Ｏ→ＴｉＯ↓［２］.２Ｈ↓［２］Ｏ↓＋ＮＨ↓［４］↑［＋］ 钛盐的进料速度为１０－５０Ｌ／ｈ，氨水的进料速度以保证ＮＨ↓［３］与Ｔｉ↑［４＋］的摩尔比满足Ｔｉ↑［４＋］∶ＮＨ↓［３］＝１∶０．３－１．０为准，恒定碱液的加入量，以保持反应罐中的ＰＨ稳定在１０－１４； 反应温度为２０～６０℃； 反应液中的Ｔｉ↑［４＋］的含量在０．１～１０毫克（ｍｇ）／Ｌ； 使各反应物以雾状定量加入； 在反应过程中实施强制多层搅拌器的搅拌，搅拌桨的转速为１００－６００转／分； 反应物在反应釜中的停留时间为２－６小时； Ｃ、对由反应罐中排出的物料进行过滤、洗涤。 Ｄ、将洗净滤过的产物在５００－８５０℃煅烧５－１５小时，即得纳米二氧化钛。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许开华，郭学益，李启厚，
申请(专利权)人：深圳市格林美环境材料有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]