共掺杂的二氧化钛泡沫和水消毒设备制造技术

本发明专利技术公开一种包含开孔泡沫的四元氧化物泡沫，所述开孔泡沫含有：（ａ）掺杂剂金属、（ｂ）掺杂剂非金属、（ｃ）钛和（ｄ）氧。所述泡沫在流体动力应用中具有表面积高和背压低的优点。在简易的光反应器中显示出大肠杆菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）的灭活。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】共掺杂的二氧化钛泡沬和水消毒设备相关申请的交叉引用本申请要求2007年12月19日提交的、代理人案卷号ILL09-099-PR0的美国临时 申请No. 61/015，104的优先权，除了与本申请不一致之处之外，将其全部内容引入本文作为参考。联邦资助的研究或开发本申请部分地得到了下述研究基金和合同的资助美国国家科学基金会，协议号 CTS-0120978 ；以及美国能源部基金DEre02-91-ER45439。美国政府可具有本专利技术中的权 利。
技术介绍
多相光催化在有毒的有机物和无机物的降解、致病微生物的灭活以及从污染的环 境中去除臭味方面吸引了大量的注意力。目前使用的光催化剂主要为水性的TiO2I液或悬 浮液的形式。TiO2悬浮液的一些问题在于需要紫外线(UV)照射以将光催化剂活化；以及 难于回收已分散的光催化剂。为消除对于紫外线照射的需要，数个研究组已经报道了使用 可见光诱导金属元素或非金属元素掺杂的TiO2的光催化。相比于单一元素掺杂的TiO2, 在可见光照射下，金属元素和非金属元素共掺杂的TiO2经常显示出改进的光催化活性[8_1(|’31,32]ο为了将光催化剂容易地回收，人们已经提出了在金属支持物或非金属支持物、 玻璃、聚合物基板以及活性碳纤维上使用固定的二氧化钛的各种体系。对于工业 规模的应用，固定的光催化剂面临着新的问题反应效率经常受制于固定的光催化剂有限 的接触面积。已经报道了数个高效的动态光反应器用于受紫外线照射的TiO2体系，其可用 于研究经可见光活化的光催化剂。Choi和Kim使用插入玻璃管中的光学纤维，在塞流 型(plug-flow type)光生物反应器中进行了光催化消毒。光学纤维用于将紫外光在反 应器内均勻散射。Shchukin等人在含有二氧化钛的液体中研究了多相光催化。
技术实现思路
第一方面，本专利技术提供一种四元氧化物泡沫，所述泡沫为单块(monolithic)形 式，其包含开孔泡沫。所述开孔泡沫含有(a)掺杂剂金属、(b)掺杂剂非金属、(c)钛和(d)氧。第二方面，本专利技术提供一种制备四元氧化物泡沫的方法，所述方法包括用液体混 合物浸渍开孔模板泡沫；以及加热经浸渍的开孔泡沫，形成四元氧化物泡沫。所述液体混合 物含有(a)掺杂剂金属、(b)掺杂剂非金属和(c)钛。第三方面，本专利技术提供一种催化反应的方法，所述方法包括将四元氧化物泡沫暴 露于光中；以及将所述四元氧化物泡沫与反应物接触，形成所述反应的产物。所述四元氧化 物泡沫包含开孔泡沫，所述开孔泡沫含有(a)掺杂剂金属、(b)掺杂剂非金属、(c)钛和(d)氧。第四方面，本专利技术提供一种反应器，其包括⑴入口 ；(2)出口 ；以及⑶催化剂， 其与所述入口和所述出口流体连接。所述催化剂包含含有开孔泡沫的四元氧化物泡沫，所 述开孔泡沫含有(a)掺杂剂金属、(b)掺杂剂非金属、(c)钛和(d)氧。第五方面，本专利技术提供一种四元氧化物泡沫，所述四元氧化物泡沫通过包括下述 步骤的方法制备用液体混合物浸渍开孔模板泡沫；以及加热经浸渍的开孔泡沫，形成四 元氧化物泡沫。所述液体混合物含有(a)掺杂剂金属、(b)掺杂剂非金属和(C)钛。定义以下定义是为了对说明书和权利要求书提供清楚且一致的理解。术语“四元氧化物”是指含有氧和至少三种其他元素的物质。术语“钛源”是指含有钛和1-4个不稳定配位体的物质。术语“极性有机溶剂”是指25°C时的介电常数至少为10的非水溶剂。术语“掺杂剂非金属源”是指含有氧以外的非金属元素且任选含有其他元素的物 质。举例来说，掺杂剂非金属源可含有硼、碳、氮、氟、硅、磷、硫、氯、锗、砷、硒、溴、锑、碲、碘 和/或砹。术语“掺杂剂金属源”是指含有钛以外的金属且能够提供所述金属离子的源的 物质，其中所述金属离子为具有下列原子序数的元素的离子13、20、21、23-31、38-50或 56-83。掺杂剂金属源包括例如金属的盐和金属的氧化物。术语“煅烧”是指将物质在低于其熔点的温度进行加热。术语“光催化”是指依赖电磁辐射的存在而对反应进行催化的催化作用。术语“可见光”是指具有380nm至780nm波长的电磁辐射。附图说明图1为净化器的示意图，其是用于泡沫中光催化测定的实验装置，图中显示污水 1;入口(此处为阀门)2;催化剂(此处为金属掺杂的TiON泡沫)3;出口(此处为玻璃纤 维塞)4;光源(此处为2X30瓦的荧光灯)5;以及外壳(此处为玻璃管)6。图2为从聚乙烯泡沫的热重分析制得的图。图3显示了 Pd掺杂的TiON泡沫分别在340°C、40(TC、50(rC、64(rC和700°C下煅 烧后的X射线衍射图。图4显示了在Pd 3d光谱区中进行的XPS多重高分辨率扫描。随着所加入的Pd 前体的量更高，观察到了 Pd 3d谱带强度的增加，其中1)为10mg，2)为20mg，3)为30mg， 4 为 90mg。图5显示了在N Is光谱区中进行的XPS多重高分辨率扫描。在340_700°C的范围 内，随着煅烧温度更高，观察到了 N Is谱带强度的降低。图6(a)和(b)为显示多孔泡沫的大孔(macropore)的光学显微镜图像(a)开孔 的图像；(b)开孔的三维示意图。图7 (a)、(b)和(c)为显示在(a) 340°C、(b) 500°C和(c) 700°C下煅烧后，多孔泡沫 的中孔(mesopore)的SEM图像。图8 (a)为Pd掺杂的TiON泡沫的氮吸附-脱附等温线。图8(b)为通过BJH法得到的孔径分布图。图9为在各种金属掺杂的TiON泡沫上进行光催化处理后，大肠杆菌(E. coli)细 胞存活比例的图。所述金属列于表1中。图10为在Pd掺杂的TiON泡沫上大肠杆菌细胞存活比例的图，所述Pd掺杂的 TiON泡沫均在500°C进行煅烧，且加入了不同量的Pd前体(1)Omg ； (2) IOmg ； (3) 20mg ； (4) 30mg ；禾口 (5)90mg。图11为在Pd掺杂的TiON泡沫上进行光催化处理后，大肠杆菌细胞存活比例的 图，所述Pd掺杂的TiON泡沫在下述温度进行煅烧(1)340°C ； (2) 400 °C ； (3) 500 °C ；和 ⑷ 700 "C。图12为显示在一次流经由可见光照射的金属掺杂的TiON反应器后，来自废水处 理厂的二次排出物中细菌浓度降低的图。具体实施例方式本专利技术是基于四元氧化钛的开孔泡沫的发现，所述泡沫含有非金属(优选氮)和 金属(例如金属掺杂的TiON)。所述泡沫在流体动力应用中具有表面积高和背压(back pressure)低的优点。在简易的光反应器中显示出大肠杆菌的灭活。通过四元氧化钛在泡沫模板的孔中的模板化生长制得泡沫，优选随后移出泡沫。 金属掺杂的TiON泡沫在可见光照射下显示出大肠杆菌的光催化灭活。由于这种新型光催 化剂的形式不需要回收光催化剂颗粒，并且金属掺杂的TiON能通过可见光或日光有效地 活化，因此作为用于水消毒的传统氯化作用的替代，这些由可见光活化的光催化剂在提供 抗微生物处理方面显得很有前途。此外，本专利技术的四元氧化钛的泡沫结构为催化剂应用提 供了优良的形式已经发现Ag掺杂的TiON泡沫只用20秒的停留时间，就使得水样品中的 大肠杆菌减活，而所检验的Ag掺杂的TiON的其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四元氧化物泡沫，其包含：含有下述成分的开孔泡沫，（ａ）掺杂剂金属；（ｂ）掺杂剂非金属；（ｃ）钛；以及（ｄ）氧。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚建库，吴平桂，谢荣才，
申请(专利权)人：伊利诺斯大学理事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]