本发明专利技术为多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂及制备和应用方法，通过Ｌａ、Ｆｅ、Ｎ三掺杂使ＴｉＯ２具有可见光响应；通过ＡＣＦ的负载解决ＴｉＯ２不易回收、产生二次污染的缺点；通过独创的半负载型芬顿试剂的加入解决了ＴｉＯ２光催化效率低、传统芬顿试剂Ｆｅ２＋消耗量大、无法在流动水体保持浓度等问题。该光催化剂的制备主要以钛酸四正丁酯为ＴｉＯ２前驱体，无水乙醇为溶剂，粘胶基活性炭纤维为载体，经过干燥、超声、恒温煅烧制得。其应用方法是光催化反应以紫外光和可见光作为激发光源，光催化剂加入浓度为１０－２０ｇ／Ｌ，双氧水加入浓度为１０－３０ｍＭ。本发明专利技术制备简单，催化活性高，易回收，具有可见光活性，为工业应用提供了基础。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一种光催化材料及该材料的制备方法及应用，具体地说涉及一种去除 水中有机污染物的可见光响应型的二氧化钛催化剂的制备方法和应用。
技术介绍
近年来，人们尝试使用光催化法处理废水中的难以被以往的化学和生物法进行降 解的有机污染物，取得了一些成效。其中纳米TiO2光催化剂以其稳定的化学性质，价廉易 得、无毒等优点而深受人们青睐。由于TiO2在光作用下能产生具有强氧化能力的羟基自由 基，最终可以使有机污染物完全氧化生成C02，H2O以及S042_，N03_，cr等无机离子，因此，可 对废水中的有机污染物进行深度处理。但是TiO2存在着仅能吸收紫外光，在可见光范围 没有响应，对太阳光利用率低(约3 5% )；光生载流子的复合率高，光催化效率较低；悬 浮态TiO2光催化剂难以回收，易造成二次污染等缺点，严重制约了其在实际中的应用。
技术实现思路
为了克服TiO2光催化剂对太阳光的利用率低、光催化效率低、不易回收的不足，本 专利技术提供一种，该光催化剂不 仅提高了对可见光的响应，而且便于回收重复利用，更提高了光催化效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂是由三部分组成(1)作为载体的活性碳纤维ACF ；(2)作为辅助的半负载型芬顿试剂，其存在形式是将亚铁盐负载于载体上；(3)作为催化剂主要功能部分的多种离子掺杂改性的二氧化钛，其存在形式是将 掺杂改性后的二氧化钛负载于载体上。上述方案的完善方案是(1)多种离子掺杂改性的二氧化钛的掺杂离子之一的铁离子，以硫酸铁、硝酸铁或 三草酸合铁酸钾为铁离子原材料，其摩尔浓度比为二氧化钛的0. 01% -1% ；(2)多种离子掺杂改性的二氧化钛的掺杂离子之一的镧离子，以硝酸镧、硫酸镧或 醋酸镧为镧离子原材料，其摩尔浓度比为二氧化钛的0. 01% -1% ；(3)多种离子掺杂改性的二氧化钛的掺杂离子之一的氮离子，以尿素或硫脲为氮 离子原材料，其摩尔浓度比为二氧化钛的5% -30%。(4)多种离子掺杂改性的二氧化钛负载后占活性炭纤维的质量的40% -60% ；(5)半负载型芬顿试剂所用亚铁盐为硫酸亚铁、草酸亚铁或柠檬酸亚铁，并将亚铁 盐配成溶液浓度为1-lOmM。基于上述方案的多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂的制备方法是(1)将粘胶基活性炭纤维裁剪成块状，置于高温活化炉中，在高纯氮气保护下缓慢升温至800-900摄氏度，通入过热水蒸汽开活10-30min，然后在氮气保护下冷却至常温备 用；(2)在常温下将20-40mL的钛酸四正丁酯和100_140mL的无水乙醇充分混合，再加 入0. 01-0. Ig的镧离子原材料和铁离子原材的料晶体以及0. 1-1克的氮离子原材料，充 分 搅拌20-40min，得到溶液A;(3)在超声波振荡且恒温20-40°C条件下，将活性炭纤维浸入到溶液A中，振荡浸 润4h ；(4)将浸润后的活性炭纤维取出后，置于高温活化炉中在高纯氮气保护加热，升温 速率为5-15°C /min,到500-600°C后恒温煅烧1. 5-2. 5h，得到La、Fe、N三掺杂的ACF负载 型TiO2光催化剂；(5)将负载后的ACF浸入浓度I-IOmM的亚铁盐溶液中，充分浸润后烘干，重复数次 后即制得多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂。基于上述方案的多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂的应用方法是光催化 反应以紫外光和可见光作为激发光源，光催化反应条件为(1)上述多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂加入浓度为10_20g/L，双氧水 加入浓度为10-30mM ；(2)光源直接照射溶液，溶液深度为0. 4-0. 6厘米，溶液表面单位面积的辐照量为 12. 5-12. 8mff/cm2 ；(3)溶液体系持续通入空气维持溶解氧的浓度。基于上述多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂的制备方法制备的多掺杂半 负载型芬顿助二氧化钛光催化剂的应用方法是光催化反应以紫外光和可见光作为激发光 源，光催化反应条件为(1)上述多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂加入浓度为10_20g/L，双氧水 加入浓度为10-30mM ；(2)光源直接照射溶液，溶液深度为0. 4-0. 6厘米，溶液表面单位面积的辐照量为 12. 5-12. 8mff/cm2 ；(3)溶液体系持续通入空气维持溶解氧的浓度。本专利技术的技术方案通过对TiO2进行多种离子掺杂(种类> 3种)，提高其光催化 活性，使其响应波长范围拓展到可见光区，提高对太阳光的利用率；将固定在载体上，使其 利于回收和重复利用；引入芬顿试剂提高光催化剂的活性，提高光催化效率。铁离子的掺杂可在TiO2禁带带隙中引入杂质能级和缺陷能级，使得能量较小的光 子可激发掺杂能级上捕获的e_和h+，受激所需能量变小，使TiO2光催化剂的光谱响应范围 拓展到可见光区；镧离子的掺杂可引起TiO2晶格膨胀，在导带底和价带顶引入更多浅能级 成为捕获电子和空穴的陷阱，加强了电子_空穴对的有效分离，并迁移至表面参与催化反 应，从而提高光催化性能；氮离子的掺杂取代二氧化钛中少量晶格氧，使其带隙变窄，在不 降低紫外光下活性的同时，使其具有可见光活性。如果将铁离子、镧离子和氮离子同时掺杂到TiO2中，铁离子和镧离子的掺杂能抑 制TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变，中和N的掺杂促进相变转化的不利因素；延缓样品 晶粒的增长速度，细化样品晶粒，引起样品中TiO2的晶格畸变和膨胀；掺杂还使其响应波长范围拓展到可见光区，有利于增强光催化剂的对可见光的吸收；阻止电子与空穴的复合，提高量子产率。当三者的浓度配比最佳时，产生协同作用，共同提高TiO2的光催化活性，比传 统的单掺杂和共掺杂效果更好，对可见光响应程度更高。将二氧化钛负载在活性炭纤维(ACF)上后，可以克服悬浮态TiO2光催化在实际 应用中所存在的易凝聚、难回收和自身分散引起的二次污染等问题。同时有机污染物降解 速率明显提高，其理论为体相溶液空间浓度较低的目标污染物吸附浓缩到TiO2周围，提高 传质速率从而提高光催化表面的反应。本专利技术在超声波震荡的条件下采用浸渍水解法，将 La-Fe-N/Ti02固定在ACF上，得到的TiO2薄膜平整致密，且方法简便省时，易于工业化。芬顿试剂在与TiO2的协同作用中，加入的过氧化氢打破了 TiO2光催化反应的动平 衡，使TiO2产生羟基自由基的速率加快，提高了光催化活性活性。同时芬顿试剂在与炭纤 维的共同作用中，能够对活性炭纤维进行再生，避免了污染物堵塞活性炭纤维的微孔结构， 减缓了其失活时间。传统的芬顿试剂是直接投加亚铁盐和过氧化氢，这样容易在水中产生二次污染和 大量铁泥沉淀。由于投加后的亚铁盐为游离态，在污水中浓度较低，要想达到需要的浓度则 要投加更多的Fe2+。而且假如所处理的污水是流动的，传统的芬顿试剂投加方法就无法保 持足够的亚铁离子浓度，只能不停的继续投加亚铁盐，从而导致更大的二次污染，且亚铁离 子的利用率太低，太不经济。而本专利技术并非将芬顿试剂简单投加在需要处理的废水中，而是独创的半负载型芬 顿试剂，即将亚铁离子固定在ACF上，使用时仅需投加无害的过氧化氢，由于ACF的吸附浓 缩作用，亚铁离子不易扩散到水里，而是牢牢的团聚在ACF周围，避免了本文档来自技高网...
【技术保护点】
多掺杂半负载型芬顿助二氧化钛光催化剂，其特征是由三部分组成：（１）作为载体的活性碳纤维；（２）作为辅助的半负载型芬顿试剂，其存在形式是将亚铁盐负载于载体上；（３）作为催化剂主要功能部分的多种离子掺杂改性的二氧化钛，其存在形式是将掺杂改性后的二氧化钛负载于载体上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑经堂，杨哲，杨宇程，于维钊，曲建伟，吴明铂，张玉贞，赵玉翠，曲险峰，石建稳，张延宗，李石，刘颖，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]
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