專利名稱：一種二氧化鈦/活性炭纖維光催化劑及其制備方法和在空氣凈化中應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種TiO2(二氧化鈦)/ACF(活性炭纖維)固定化光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著生活水平的提高，大量的石油產(chǎn)品及能夠產(chǎn)生揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds，VOCs)的日用品、裝飾品，尤其是室內(nèi)裝修使用的建筑材料和油漆、涂料等源源不斷地進入了人們的居室及工作場所。人們在享受這些產(chǎn)品帶來的舒適和滿足的同時，它們正不斷地產(chǎn)生著各種污染物質(zhì)和有害物質(zhì)，破壞室內(nèi)空氣質(zhì)量。而建筑節(jié)能、室內(nèi)保溫、中央空調(diào)等，使居室和辦公場所的密封性更好，室內(nèi)產(chǎn)生的污染物很難向室外擴散。長期生活在這樣建筑物內(nèi)的人會出現(xiàn)頭痛、呼吸道感染、疲勞嗜睡、發(fā)熱惡心、皮膚瘙癢和異常性過敏等癥狀。而且正常人常年有80％～90％以上的時間在室內(nèi)度過，因此長期處在惡劣的室內(nèi)環(huán)境中所遭受的潛在危害是無法估量的。
利用半導(dǎo)體光催化氧化(photocatalytic oxidation，PCO)的方法降解空氣中的VOCs是近年來日益受到重視的一項污染治理新技術(shù)。這個過程不需要其它化學(xué)助劑，反應(yīng)條件溫和，而且最終產(chǎn)物通常只有CO2和H2O，不會產(chǎn)生二次污染，是一個非常有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域。該方法尤其適合于難以或無法生物降解的有毒有機物質(zhì)。作為光催化劑的物質(zhì)主要是半導(dǎo)體氧化物，如TiO2、WO3、MgO、Fe2O3、ZnO和CdS等，其中TiO2由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕能力強、成本低、無毒和光催化活性高等優(yōu)點而最具應(yīng)用前景。但是相對吸附型的材料而言，TiO2光催化劑的吸附性能比較差，而且空氣中的有機污染物濃度也往往比較低，因此很難有效富集到TiO2表面，從而大大影響了TiO2光催化劑對室內(nèi)外低濃度揮發(fā)性有機物的光催化效率，導(dǎo)致光催化降解的效率低下，不能有效實現(xiàn)低濃度揮發(fā)性有機物的降解脫毒。
活性炭纖維(activated carbon fiber，ACF)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種炭質(zhì)吸附材料，它是繼粉狀和粒狀活性炭之后的第三種形態(tài)的活性炭(activated carbon，AC)。ACF直徑細，比表面積大(達1000～3000m2/g)，故吸附能力強，吸附容量大，微孔含量大(達90％以上)，孔徑小，其平均孔徑小于2nm，微孔可以直接與吸附物質(zhì)接觸，使得ACF系統(tǒng)能很快達到吸附，從而能有效地吸附低濃度以至痕量的可吸附物質(zhì)。但活性炭纖維作為一種吸附劑，達到飽和吸附后，存在和其它活性炭材料必須再生才可恢復(fù)其吸附能力的難題。因此，利用在ACF上負載TiO2光催化劑提高光催化降解氣態(tài)揮發(fā)性有機污染物方面的研究報道相對較少，具有非常重要的應(yīng)用前景，而且對苯和乙醚等為代表的毒害有機物的氣相光催化降解的最佳工藝條件未見有報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種制備工藝簡單、光催化效率高、價格便宜、具有一定實際應(yīng)用價值的TiO2/ACF光催化劑材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述TiO2/ACF光催化劑的制備方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述TiO2/ACF光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用。
本發(fā)明采用ACF(活性炭纖維)作為載體負載TiO2催化劑，利用它的吸附性能對室內(nèi)空氣中的低濃度有機污染物進行快速吸附，達到污染物在載體上的富集，然后再在負載在ACF上的TiO2催化劑表面進行原位的光催化反應(yīng)，使低濃度有機污染物進行有效的光催化反應(yīng)，直至完全轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和簡單的無機物，使ACF不斷原位再生，該過程高效且無二次污染。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)TiO2/ACF光催化劑的制備方法包括如下工藝步驟(1)在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.005～0.100加入稀硫酸溶液，攪拌均勻后在超聲波中震蕩10～60分鐘，制得酸化乳液。
(2)活性碳纖維(ACF)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌，洗滌干凈后于50～100C烘干，浸入上述制得的1～10％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩10～60分鐘后取出，在50～100℃烘干，即可制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將上述光催化劑前驅(qū)物在150～350℃煅燒保溫2～10h，制成TiO2/ACF光催化劑。
為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述氫氧化鈦乳液的制備方法包括如下步驟將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無定形的絮狀沉淀進行過濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進行打漿后得到氫氧化鈦乳液。
步驟(1)所述稀硫酸溶液按體積比計蒸餾水∶硫酸為2～10∶1配制。步驟(2)所述活性碳纖維包括活性炭纖維布或活性炭纖維氈等。
如有需要，將步驟(2)制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，即可制得加載不同層數(shù)氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。特別優(yōu)選的方案是，所述光催化劑前驅(qū)物可加載1～6層氫氧化鈦。將步驟(2)制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)1～5次，即可相應(yīng)制得加載有2～6層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
本發(fā)明所述的TiO2/ACF光催化劑由上述制備方法制備而成。
本發(fā)明所述的TiO2/ACF光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用，可降解空氣中的苯、乙醚等揮發(fā)性有機污染物。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果本發(fā)明制備工藝簡單、光催化效率高，價格便宜、具有一定實際應(yīng)用價值。ACF具有很大的比表面積，對空氣中的有機物具有很大的吸附容量，可以使得空氣中的大量的低濃度有機污染物吸附富集在TiO2/ACF上，可以大大提高負載在ACF上的TiO2對空氣中低濃度有機污染物的降解效率；且本發(fā)明通過添加了硫酸制備了高吸附活性固體超強酸光催化劑，從而可以大大提高其對低濃度有機污染物的降解效率。


圖1為TiO2/ACF(活性炭纖維布)吸附苯和乙醚動力學(xué)圖；圖2為TiO2/ACF(活性炭纖維布)光催化降解苯和乙醚動力學(xué)圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，調(diào)節(jié)溶液pH值為7，將生成的白色無定形的絮狀沉淀進行過濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.005加入稀硫酸溶液(按體積比計蒸餾水∶硫酸為2∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩60分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維布(比表面1000m2/g，苯吸附飽和量35％)2次，洗滌干凈后于50℃烘干，浸入上述制得的10％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩60分鐘后取出，在50℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在150℃煅燒保溫10h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實施例2(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無定形的絮狀沉淀進行過濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.05加入稀硫酸溶液(按體積比計蒸餾水∶硫酸為6∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩30分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維氈(比表面1200m2/g，苯吸附飽和量50％)3次，洗滌干凈后于80℃烘干，浸入上述制得的8％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩30分鐘后取出，在80℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。將制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，可制得加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在350℃煅燒保溫2h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實施例3(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無定形的絮狀沉淀進行過濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.10加入稀硫酸溶液(按體積比計蒸餾水∶硫酸為10∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩60分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維氈(比表面1200m2/g，苯吸附飽和量50％)1次，洗滌干凈后于100℃烘干，浸入上述制得的5％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩60分鐘后取出，在100℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。將制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，可制得加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物，再次重復(fù)步驟(2)，即可制得加載3層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載3層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在200℃煅燒保溫6h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實施例4(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無定形的絮狀沉淀進行過濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.02加入稀硫酸溶液(按體積比計蒸餾水∶硫酸為4∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩50分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維布(比表面1000m2/g，苯吸附飽和量35％，)2次，洗滌干凈后于100℃烘干，浸入上述制得的1％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩50分鐘后取出，在100℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。將制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，可制得加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物，再重復(fù)步驟(2)4次，即可制得加載6層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載6層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在250℃煅燒保溫4h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實施例5TiO2/ACF光催化劑在空氣中有害揮發(fā)性有機物凈化中的應(yīng)用
TiO2/ACF光催化劑對苯和乙醚兩種有機物的吸附動力學(xué)曲線如圖1。從圖1中可以看出，TiO2/ACF光催化劑對苯和乙醚均具有較好的吸附能力，在前50分鐘的吸附時間中吸附速度較快，以后速度逐漸減慢，在吸附時間為120分鐘時，苯的吸附率為48.5％，乙醚的吸附率高達81.8％。由此可見同一光催化劑對苯和乙醚兩種不同揮發(fā)性有機物的吸附率具有較大的差別，這可能是乙醚的分子結(jié)構(gòu)較小，而苯分子具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)分子較大所導(dǎo)致的。但是總體而言，該TiO2/ACF光催化劑對空氣中所含的苯和乙醚為代表的揮發(fā)性有機物具有很好的吸附效果。
圖2給出了TiO2/ACF光催化劑對苯和乙醚兩種揮發(fā)性有機物的光催化降解的動力學(xué)曲線。曲圖2可以看出，TiO2/ACF光催化劑對苯和乙醚均具有很高的光催化去除效率。從TiO2/ACF光催化降解苯和乙醚的曲線可以看出，在反應(yīng)初期，空氣中苯和乙醚的濃度下降的比較快，到反應(yīng)后期逐漸變得較平和。這可能是由于開始時TiO2光催化降解了預(yù)先吸附在ACF上的苯和乙醚，使ACF的吸附能力得以再生，再生后的ACF又繼續(xù)吸附空氣中新的苯和乙醚，這時吸附與光催化同時進行，當(dāng)污染物吸附到ACF上和在TiO2表面上光催化降解的速率達到平衡時，光催化降解率也達到最大值，并在不斷循環(huán)進行吸附與光催化反應(yīng)，此時降解曲線變得比較平和。而且隨著反應(yīng)時間的增加，苯和乙醚的去除率明顯增加，當(dāng)反應(yīng)時間達到120分鐘時，其降解率分別達到88.9％和85.4％。由此可見，該光催化劑對兩種揮發(fā)性有機物均具有非常好的去除效率。這說明采用ACF作為載體負載TiO2催化劑，利用ACF的吸附性能可以對室內(nèi)空氣中的低濃度有機污染物進行快速吸附，而ACF表面吸附的污染物也可以通過表面遷移等途徑轉(zhuǎn)移到TiO2光催化劑表面發(fā)生光催化降解反應(yīng)，使ACF得以原位再生，即TiO2/ACF光催化劑上TiO2具備使載體ACF原位再生的能力。
如上所述，可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于包括如下工藝步驟(1)在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.005～0.100加入稀硫酸溶液，攪拌均勻后在超聲波中震蕩10～60分鐘，制得酸化乳液；(2)活性碳纖維用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌，洗滌干凈后于50～100℃烘干，浸入上述制得的1～10％的酸化乳液中，于超聲波中震蕩10～60分鐘后取出，在50～100℃烘干，即可制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物；(3)將上述光催化劑前驅(qū)物在150～350℃煅燒保溫2～10h，制成TiO2/ACF光催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，所述氫氧化鈦乳液通過如下步驟制備將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無定形的絮狀沉淀進行過濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進行打漿后得到氫氧化鈦乳液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述稀硫酸溶液按體積比計蒸餾水∶硫酸為2～10∶1配制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述活性碳纖維包括活性炭纖維布或活性炭纖維氈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，將步驟(2)制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，即可制得加載不同層數(shù)氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，所述光催化劑前驅(qū)物加載1～6層氫氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一項所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法制備的TiO2/ACF光催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的TiO2/ACF光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于空氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種TiO
文檔編號B01J37/08GK1803291SQ200610033109
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者安太成, 胡曉洪, 傅家謨, 曾祥英, 盛國英 申請人:中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所