欢迎访问化工填料网,厂家直销,品质保证

您所在的位置:主页 > 湖北 > 十堰 > 正文

拉西环负载光催化水泥降解PAN

作者:user 来源:  日期:2019-10-10 21:21
  • 电话:
  • 微信:
  • QQ:
  • 电话:
  • 微信:
  • QQ:

陶瓷拉西环为载体,表层涂覆上混有一定量纳米二氧化钛的水泥,制备成具有光催化性能的水泥负载纳米二氧化钛复合体,以PAN(1-(吡啶基偶氮)-2-萘酚)为降解物,考察复合体的光催化降解性能。XRD 和SEM 检测结果表明,光催化水泥水化过程中TiO2的晶型无变化,纳米二氧化钛在水泥中分散,其晶粒细化。光催化降解条件有水泥中二氧化钛的含量,PAN 的初始浓度,以及溶液pH。试验表明,水泥中纳米二氧化钛含量为3%,被降解液PAN 初始浓度为2mg/L,溶液pH 值为9 时,降解效果最好。
 
近年来,纳米TiO2光催化剂在对有毒、难降解的有机物的处理中表现出高效、稳定等特点,引起了人们的高度重视。林幸[3] 等用竹炭负载法制备了TiO2 纳米管、王道爱[4]等用阳极氧化法制备了TiO2 纳米管阵列膜,这些方法制备工艺复杂,产量低、成本高,不利于大规模废水处理等场所的实际应用。纳米二氧化钛粉体价格低廉[5],光催化效率高[6],在市场应用中有巨大的潜能。但纳米TiO2 粉体的流动性强,回收困难,利用效率低,而且存在二次污染[7]。因此,寻找一种能将纳米TiO2 粉体固定,又能保持其光催化性能的研究已在越来越多的研究人员中展开。粉煤灰/TiO2 复合物[8],负载TiO2 海泡石[9]、TiO2 浮石复合材料[10]等改性吸附材料的研制已经开展;张茂花[11]的研究表明:适量纳米TiO2 掺入水泥中, 改善了混凝土的孔结构,混凝土的抗折、抗压强度、耐磨、抗冻性和抗冲击力能都得到了不同程度的提高。孔德玉等[12]对渗水混凝土路面砖用内掺法引入纳米TiO2在最佳掺量下, 路面砖强度增幅高达80%以上, 且具有良好的光催化效果[13]。
水泥是一种最广普的建筑材料,水泥基材料主要水化产物为 C- S- H 凝胶、Ca(OH)2、AFt、AFm,其中C- S- H 凝胶具有极高的比表能和离子交换能力,可通过吸附、共生和层间位置的化学置换等方式固化外来离子; 钙矾石也可通过化学置换在晶体柱间和通道内容纳许多外来离子[14]。利用水泥的凝固特性[2],将纳米二氧化钛与水泥共混,嵌入水泥固化成品中,将TiO2粉体光催化剂用水泥负载固定,解决了粉体纳米二氧化钛的流动性,在环境治理中将具有广泛的应用前景。

PAN(1-(吡啶基偶氮)-2-萘酚),能与碱土金属以外的二价金属离子制成一系列红色螯合物[4- 5],以PAN 为光催化降解物;以75×75×10 的瓷质拉西环为载体,瓷环表层附着一层厚约3.6mm 水泥和纳米二氧化钛的混合物,以此作为光催化剂,考察了不同条件对光催化效果的影响。
1     实验部分
1.1实验材料
主要仪器药品:X 射线衍射仪(XRD,D/max 2550 VB+ 18 kW);UV- 2500 紫外- 可见分光光度计,日本岛津;SEM(Nova NanoSEM 230)扫描电镜,捷克;无水乙醇,上海南翔试剂有限公司;PAN(1-(吡啶基偶氮)-2-萘酚),分析纯,上海博耀生物科技有限公司;水泥,长沙县印山实业总公司水泥厂;P25-纳米二氧化钛,德国塞纳公司;紫外灯,220V/40W(冷光源),无锡锐镐电子材料有限公司;瓷质拉西环(7.5×7.5×1.0).
负载光催化水泥拉西环的制备:将水泥熟料与TiO2 按照一定比例混合,按照水灰质量比为2∶1,制备TiO2光催化水泥,将光催化水泥涂覆于洁净拉西环上,于20 ℃ 恒温养护箱中养护至所需龄期后备用。制备得到的负载TiO2 光催化水泥的拉西环(光催化复合体),如图1 所示,平均每个拉西环约负载光催化水泥约0.05 克,水泥石密度为2.1g/cm2,光催化水泥厚度约为3.6mm
陶瓷拉西环
1.2 实验方法与分析手段
(1)水化过程中TiO2微观结构的研究。
采用X 射线衍射(XRD,D/max 2550 VB+ 18 kW)对不同水化时间下的光催化水泥进行分析。通过对XRD 图谱中各TiO2 的特征衍射峰峰型宽化(半峰宽FWHM)分析,通过谢乐方程(1) 来计算出水化过程中TiO2晶粒大小的变化规律。
 
式1 中,D 为平均晶粒大小,λ为X 射线的波长(λ=1.54 Å),B为TiO2各晶面衍射峰的半峰宽(FWHM),θ为不同晶面对应的衍射角。
用日立 S3400N 型扫描电子显微镜对样品的纳米TiO2、水泥原料、以及水化后复合体上水泥石表面形态进行了分析。
(2)PAN 降解实验
移取40mL 一定浓度的PAN 溶液置于烧杯中,调控溶液pH 值,放入4 个水化好的光催化水泥拉西环,将溶液放置于暗处,待吸附平衡后,将溶液放置在紫外灯光下降解(发射波长254nm, 功率40W),每20 分钟测定一次溶液的PAN 浓度。PAN 浓度采用紫外-可见分光光度计(UV-2550,日本岛津)进行分析。
1     结果与讨论
1.1 水化过程中TiO2微观结构的研究
水泥凝结和硬化,是一个复杂的物理—化学过程,水化过程有可能对TiO2 的晶型结构产生影响[15],因此考察了水化过程中TiO2微观结构变化。图2 为TiO2含量为5%的光催化水泥在不同水化时间下的XRD 图谱。从图2 中可以看出,随着水泥水化龄期的延长,Ca(OH)2, SiO2等物质的特征峰增高,这是因为随着水化龄期的延长,水泥中的Ca3SiO5 水化生成水化产物Ca(OH)2 和SiO2。
XRD 图谱表明,TiO2在水化过程中性质稳定,未形成新的物质。对TiO2 晶型进行分析表明,TiO2 在水泥水化3 天时,晶型基本上未发生变化。但是随着水化龄期的延长,TiO2 的特征峰出现了一定程度上的宽化现象,说明其晶粒在水化过程中具有细化的趋势。运用谢乐公式对不同水化时间下TiO(2  101)晶面对应的晶粒尺寸大小进行计算,结果如表1 所示。计算结果表明, 水化14 天后,TiO2晶粒尺寸明显减小,其晶粒尺寸由31.41nm 降低至22.01nm。由纳米TiO2光催化原理[17]可知:催化剂粒径越小光催化效果越好。所以水泥复合体水化时间越长越有利于提高光催化效果。
 
SEM 图表明颗粒状的纳米TiO2 附着在水泥表面,颗粒相对细化,其原因是水泥水化固化过程,水泥成份在进行重新排列, 混合在水泥中已经团聚的纳米TiO2也随之分散。由量子化效应可知,随着粒径尺寸减小, 半导体带隙变宽[18],在激发态时其导带和价带分别具有更强的氧化和还原能力。
1.1 水泥负载拉西环光催化性能研究
1.1.1  纳米二氧化钛含量对复合光催化剂对降解的影响在其他降解条件相同的情况下(涂布水泥的拉西环数量,10ug/l 的PAN 模拟废水),用水泥中含TiO2百分含量分别为0、1、3、5、7 的复合体进行光催化实验。结果如图3,水泥中含3%的纳米二氧化钛的光催化剂降解效果最好,1%的含量次之,5%和7%效果稍差,没有加入TiO2 的水泥水化体降解率最低。其原因是溶液作中PAN 首先吸附在复合体表面,之后再发生光催化降解, 水泥中纳米TiO2 的含量太低,光催化点位少,不利于光催化速率,所以纳米TiO2 的含量过低,光催化效率低;当纳米TiO2 的含量过高时,一方面,水泥中的TiO2 可促进水泥熟料的结晶固化,TiO2 的量太多,在水泥水化固化过程中结晶体膨胀[19,20],水泥石结合牢固度降低,造成复合体表面涂覆层脱落,降低其光催化效果;另一方面,水泥中TiO2 的含量过高,团聚的纳米TiO2 在水泥水化过程中分散性不好,光催化剂、溶液与光线的接触表面积小,最终也会影响光催化效率。综合考察,水泥中含3%的纳米二氧化钛的光催化剂降解效果最好。
1.1.1   
PAN 浓度对光催化降解的影响
配 制 PAN 浓 度 为 2.0mg/L、4.0mg/L、6.0mg/L、8.0mg/L、10.0mg/L 的5 个溶液,在其余条件都相同的情况下,做光催化降解试验。从降解率看初始浓度越低,降解效率越高。这是因为光催化降解过程是先吸附[21],再降解,光催化剂在被降解溶液中先在暗处吸附平衡,这一动态平衡的吸附量也是随初始浓度提高而提高,相应吸附在光催化剂表面的红色的PAN 增多,溶液颜色有明显的变浅。如果降解条件一定,光催化反应的点位一定, 初始PAN 浓度过高,吸附在光催化剂表面的有颜色的PAN 阻碍了光线的直接照射在活性点位,而且也阻隔了反应后分解物的扩散,使光催化反应受到抑制,不能保持正常的速率,被降解物的降解效率就更低。实验中2mg/l 的PAN 溶液降解效率最高。
 不同pH 值对光催化降解的影响
因为水泥是偏碱性的物质,在酸性溶液中CaO 会以Ca2+状态流失在溶液中,水泥的固化结构会遭到破坏,选pH 时,定在碱性区,用NaOH 溶液和盐酸溶液调节被测液的pH 值,配出pH 值为7、8、9、10、11 系列PAN 溶液;PAN 在pH=2~12 范围内,PAN 为黄色,被测溶液与金属离子配位,呈现稳定的显红色。
当降解的其他条件不变,只改变初始PAN 溶液pH 值,做光催化降解试验,得图6。从图中可知:pH=9 时降解率最高。
溶液pH 值较低时,TiO2表面质子化,带正电荷,有利于光生电子向表面迁移;当溶液pH 值较高时,由于OH-的存在,TiO2 表面带负电荷,有利于光生空穴向表面迁移[10,16]。TiO2的平带电位下降, 继而影响光生空穴的氧化能力。溶液pH 能改变TiO2界面电荷的性质[11]以及羟基自由基的生成量。半导体催化剂的平带电位(Efb)与溶液pH 相关:Efb=Efb0-0.05915pH,(式中 Efb0 为pH 为零时的半导体催化剂平带电位),故选择一个合适的pH 值对TiO2的光催化性能有重要的影响。如果催化剂在等电点的时候不带电,光催化剂容易团聚,导致粒径变大[16],影响光催化效果,pH=9 时,溶液中OH-的浓度调节TiO2 的最佳平带电位, 从而使光催化剂的氧化能力最强。
1     结论
(1)TiO2 在水化过程中性质稳定,晶型基本上未发生变化。但是随着水化龄期的延长,TiO2 晶粒在水化过程中具有细化的趋势,光催化效率提高。
(2)水泥中混入3%的纳米二氧化钛以后所做的光催化复合体,结构稳定,能很好的光催化降解PAN 溶液;被降解液pH 值为
9 时,光催化效率最高;PAN 的初始浓度越低降解率越高。

  • 上一篇:没有了
  • 下一篇:没有了
热门资讯