專利名稱：：一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種炭吸附材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：'水是人類的生存與發(fā)展，社會(huì)的文明與迸步的基本保障。但是近年來工業(yè)化的迅速發(fā)展，城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們?cè)谏詈蜕a(chǎn)過程中排放出來的污染物對(duì)源水水質(zhì)的污染已經(jīng)愈演愈劇，源水受污染的程度越來越嚴(yán)重，水中有機(jī)物質(zhì)逐漸增多。目前活性炭吸附是有機(jī)微污染水體深度凈化的最有效的手段；因活性炭對(duì)污染物的吸附主要以微孔填充為主，活性炭吸附容量有限，短時(shí)間即可達(dá)吸附飽和實(shí)效，成為二次污染源且有限的吸附容量決定了活性炭相對(duì)較短的使用壽命，從而相應(yīng)增加使用成本。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有炭吸附材料對(duì)苯酚去除效果差、再利用率差及光催化劑活性低的問題，而提供的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料及其制備方法。吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由1%70%的Ti02顆粒和30%99%的活性炭制成。上述吸附-光催化雙功能炭吸附材料按以下步驟制備一、將3040mL無水乙醇和2836mL去離子水混合，然后用HC1溶液調(diào)節(jié)pH值至23，得溶液A;二、將3099g的活性炭加入3040mL鈦酸四丁酯、然后加入2025mL冰醋酸、而后加入6080mL無水乙醇中攪拌均勻，得溶液B;三、在溫度為204(TC、攪拌速率為100800r/min的條件下將溶液A以1滴/s的速度加入溶液B中，并置于26'C的條件下繼續(xù)攪拌1.52h，得炭吸附材料前軀體；四、采用溶膠-凝膠法將炭吸附材料前軀體在204(TC的條件下靜置1014h，然后老化2226h，而后轉(zhuǎn)入溫度為105士2。C干燥箱內(nèi)干燥2226h，研磨，再轉(zhuǎn)入氮?dú)猸h(huán)境的水平石英管式反應(yīng)器中，在升溫速率為1525。C/min的環(huán)境中升溫至180220。C，保溫lh，然后再以1525。C/min的速度升溫至45055(TC，保溫活化2h，之后自然冷卻至室溫，即得到吸附-光催化雙功能炭吸附材料。在光照條件下，本發(fā)明得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)苯酚的迅速去除，循環(huán)10次使用后其對(duì)苯酚的去除容量達(dá)320-580mg/g，為活性炭的3.76.7倍，且仍可繼續(xù)使用。吸附-光催化雙功能材料的長(zhǎng)時(shí)間使用而不致飽和失效、具有很強(qiáng)的光催化活性。圖i是具體實(shí)施方式四得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，圖2是具體實(shí)施方式五得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，圖3是具體實(shí)施方式六得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，圖4是具體實(shí)施方式七得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，圖5是具體實(shí)施方式二十二得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料進(jìn)行jl復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果示意圖，圖5中^^表示50TiO2/AC的苯去除率，表示AC的苯去除率。具體實(shí)施方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。具體實(shí)施方式一本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由1%70%的Ti02顆粒和30%99%的活性炭制成。本實(shí)施方式所使用的活性炭的比表面積為4503000m2/g，總孔容積為0.32.0cmVg。具體實(shí)施方式二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由20%60%的Ti02顆粒和40%80%的活性炭制成。其它與實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二的不同點(diǎn)是Ti02顆粒的粒徑為1316nm。其它與實(shí)施方式一或二相同。經(jīng)檢測(cè)本實(shí)施方式中Ti02顆粒的粒徑為1316nm，此粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活性炭(AC)的微孔粒徑，Ti02顆粒不可能在微孔上發(fā)生吸附，所以Ti02顆粒在活性炭上的分布呈不均勻狀態(tài)，且主要集中在活性炭的大孔和表面狹縫處，當(dāng)部分Ti02顆粒進(jìn)入了活性炭大孔入口處時(shí)，并未完全將活性炭阻塞。隨著Ti02顆粒量的增加，活性炭表面Ti02顆粒覆蓋面增大，Ti02團(tuán)聚體尺寸逐漸增大。吸附-光催化雙功能材料的比表面積逐漸下降，但總孔容積下降相對(duì)較少。并不降低吸附量，吸附能力更加的不會(huì)減弱，測(cè)試結(jié)果如表l所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>具體實(shí)施方式四本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由10%的Ti02顆粒和90%的活性炭制成。圖1是本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，從圖中可以看出吸附-光催化雙功能炭吸附材料表面致密、完整并基本保持原有活性炭的形貌。具體實(shí)施方式五本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料為按質(zhì)量百分比由30%的Ti02顆粒和70%的活性炭制成。圖2是本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，從圖中可以看出吸附-光催化雙功能炭吸附材料表面致密、完整并基本保持原有活性炭的形貌。具體實(shí)施方式六本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由50%的Ti02顆粒和50%的活性炭制成。圖3是本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，從圖中可以看出吸附-光催化雙功能炭吸附材料表面致密、完整并基本保持原有活性炭的形貌。具體實(shí)施方式七本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由70%的Ti02顆粒和30%的活性炭制成。圖4是本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料擴(kuò)大2萬倍的掃描電鏡圖，從圖中可以看出吸附-光催化雙功能炭吸附材料表面致密、完整并基本保持原有性炭的形貌。具體實(shí)施方式八本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭力及附材料按以下步驟制備一、將3040mL無水乙醇和2836mL去離子水混合，然后用HC1溶液調(diào)節(jié)pH值至23，得溶液A;二、將3099g的活性炭加入3040mL鈦酸四丁酯、然后加入2025mL冰醋酸、而后加入6080mL無水乙醇中攪拌均勻，得溶液B;三、在溫度為204(TC、攪拌速率為100800r/min的條件下將溶液A以1滴/s的速度加入溶液B中，并置于26'C的條件下繼續(xù)攪拌1.52h，得炭吸附材料前軀體；四、采用溶膠-凝膠法將炭吸附材料前軀體在2040。C的條件下靜置1014h，然后老化2226h，而后轉(zhuǎn)入溫度為105±2'C干燥箱內(nèi)干燥2226h，研磨，再轉(zhuǎn)入氮?dú)猸h(huán)境的水平石英管式反應(yīng)器中，在升溫速率為1525。C/min的環(huán)境中升溫至180220°C，保溫lh，然后再以1525X:/min的速度升溫至45055(TC，保溫活化2h，之后自然冷卻至室溫，即得到吸附-光催化雙功能炭吸附材料。本實(shí)施方式步驟一中溶液A為pH值為23的乙醇水溶液。本實(shí)施方式步驟一中HC1溶液不僅具有調(diào)節(jié)pH值的作用，而且具有催化的作用。本實(shí)施方式步驟二中溶液B為含活性炭的鈦源乙醇、醋酸混合溶液。本實(shí)施方式步驟四在45055(TC條件下保溫活化，不僅溫度低，對(duì)活性炭纖維機(jī)械性能損害小，而且可節(jié)省大量能源。表2是步驟二中加入活性炭的量不同(步驟二中活性炭的加入量為30g、50g、70g和90g)的條件下本實(shí)施方式得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料在2h內(nèi)苯酚分解去除率(其它制備及測(cè)試條件均相同)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>隨著活性炭加入量的增加，吸附-光催化雙功能炭吸附材料對(duì)苯酚的暗吸附量逐漸增加，而光催化活性減弱。因活性炭的吸附性能構(gòu)成不同初始濃度，以暗吸附30min后苯酚的表示光催化反應(yīng)的初始濃度，70TiO2/AC表現(xiàn)出了較快的光催化反應(yīng)速度，但因?yàn)榛钚蕴亢枯^少，光催化初始濃度較高，因而最終對(duì)苯酚的去除率較低。而10TiO2/AC盡管對(duì)苯酚去除率較高，但主要以物理吸附為主。從動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)比可以看出，由于適宜的活性炭所提供的吸附性能和Ti02顆粒所提供的光催化性能，經(jīng)測(cè)得50TiO2/AC對(duì)苯酚的光催化去除反應(yīng)速率最快且其對(duì)苯酚的去除效率最高。本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料在204(TC、光照2h的條件下苯的去除率達(dá)99%以上。具體實(shí)施方式九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟一將35mL無水乙醇和32mL去離子水混合，然后用HC1溶液調(diào)節(jié)pH值至2.5。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八或九的不同點(diǎn)是步驟一中HC1溶液的摩爾濃度為lmol/L。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八或九相同。具體實(shí)施方式十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟二將60g的活性炭加入35mL鈦酸四丁酯、然后加入23mL冰醋酸、而后加入70mL無水乙醇。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八或十一的不同點(diǎn)是步驟二中加入無水乙醇后攪拌速度為20500r/min，攪拌時(shí)間為5300min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八或十一相同。具體實(shí)施方式十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟三中在溫度為30°C、攪拌速率為600r/min的條件下將溶液A以1滴/s的速度加入溶液B中。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟三中繼續(xù)攪拌的時(shí)間為1.8h其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中采用溶膠-凝膠法將炭吸附材料前軀體在30(TC的條件下靜置12h。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四老化時(shí)間為24h。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四干燥時(shí)間為24h。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中將吸附-光催化雙功能炭吸附材料前軀體研磨至0.13mm。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中氮?dú)獾募兌葹?9%。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式二十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中在升溫速率為2(TC/min的環(huán)境中升溫至20(TC，保溫lh。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中再以20°C/min的速度升溫至500°C，保溫活化2h。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式二十二本實(shí)施方式吸附-光催化雙功能炭吸附材料按以下步驟制備一、將35mL無水乙醇和32mL去離子水混合，然后用HC1溶液調(diào)節(jié)pH值至2.5，得溶液A;二、將50g的活性炭加入35mL鈦酸四丁酯、然后加入23mL冰醋酸、而后加入70mL無水乙醇中攪拌均勻，得溶液B;三、在溫度為30°C、攪拌速率為600r/min的條件下將溶液A以1滴/s的速度加入溶液B中，并置于26。C的條件下繼續(xù)攪拌1.8h，得炭吸附材料前軀體；四、采用溶膠-凝膠法將炭吸附材料前軀體在3(TC的條件下靜置12h，然后老化24h，而后轉(zhuǎn)入溫度為105士2。C干燥箱內(nèi)干燥24h，研磨，再轉(zhuǎn)入氮?dú)猸h(huán)境的水平石英管式反應(yīng)器中，在升溫速率為20。C/min的環(huán)境中升溫至20(TC，保溫lh，然后再以20tVmin的速度升溫至50(TC，保溫活化2h，之后自然冷卻至室溫，即得到吸附-光催化雙功能炭吸附材料。本實(shí)施方式得到的吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比含50%的TiO2顆粒和50。/。的活性炭(50TiO2/AC)。對(duì)50TiO2/AC進(jìn)行重復(fù)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示；從圖5中可以看出，隨著使用次數(shù)的增加，50TiO2/AC的吸附能力逐漸減弱，但當(dāng)重復(fù)使用到第10次時(shí)，暗吸附量仍達(dá)原吸附-光催化雙功能炭吸附材料的40.76%,而單一活性炭在第2次重復(fù)使用時(shí)對(duì)苯酚的吸附量即下降到到49.12%，在第4次使用時(shí)活性炭對(duì)苯酚的吸附量?jī)H為原來的3.35%，已經(jīng)基本完全失去吸附能力。對(duì)照吸附-光催化雙功能炭吸附材料和活性炭的吸附結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TiCb顆粒的存在不但實(shí)現(xiàn)了吸附-光催化雙功能炭吸附材料的原位再生，還可增加吸附-光催化雙功能炭吸附材料的吸附容量，且延長(zhǎng)了吸附-光催化雙功能炭吸附材料達(dá)到吸附飽和的時(shí)間。光照條件下，50TKVAC依然保持較高光催化活性，在循環(huán)10次使用后120min內(nèi)對(duì)苯酚的去除率仍達(dá)81.98%。表3為光照條件下循環(huán)使用10次時(shí)50TiO2/AC和活性炭(AC)對(duì)250mL濃度為50ppm苯酚的去除總量。從表3中可以看出吸附-光催化雙功能材料(50TKVAC)在10次重復(fù)使用過程中對(duì)苯酚的去除總量達(dá)443.36mg/g，為活性炭(AC)的近5倍。且50TiO2/AC在重復(fù)使用10次后，紫外光照下120min內(nèi)對(duì)苯酚的去除率仍達(dá)81.98%，仍可繼續(xù)使用。吸附-光催化雙功能材料的長(zhǎng)時(shí)間使用而不致飽和失效、具有很強(qiáng)的光催化活性，使其在低濃度有機(jī)微污染深度凈化領(lǐng)域展示出良好前景。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1、一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料，其特征在于吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由1％～70％的TiO2顆粒和30％～99％的活性炭制成。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料，其特征在于吸附-光催化雙功能炭吸附材料按質(zhì)量百分比由20%60%的Ti02顆粒和40%80%的活性炭制成。3、根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料，其特征在于Ti02顆粒的粒徑為1316nm。4、制備如權(quán)利要求1所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料的方法，其特征在于吸附-光催化雙功能炭吸附材料按以下步驟制備一、將3040mL無水乙醇和2836mL去離子水混合，然后用HC1溶液調(diào)節(jié)pH值至23，得溶液A;二、將3099g的活性炭加入3040mL鈦酸四丁酯、然后加入2025mL冰醋酸、而后加入6080mL無水乙醇中攪拌均勻，得溶液B;三、在溫度為204(TC、攪拌速率為100800r/min的條件下將溶液A以1滴/s的速度加入溶液B中，并置于26'C的條件下繼續(xù)攪拌1.52h，得炭吸附材料前軀體；四、采用溶膠-凝膠法將炭吸附材料前軀體在204(TC的條件下靜置1014h，然后老化2226h，而后轉(zhuǎn)入溫度為105士2。C干燥箱內(nèi)干燥2226h，研磨，再轉(zhuǎn)入氮?dú)猸h(huán)境的水平石英管式反應(yīng)器中，在升溫速率為1525°C/min的環(huán)境中升溫至180220°C，保溫lh，然后再以1525°C/min的速度升溫至450550°C，保溫活化2h，之后自然冷卻至室溫，即得到吸附-光催化雙功能炭吸附材料。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料的制備方法，其特征在于步驟一中HC1溶液的摩爾濃度為lmol/L。6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料的制備方法，其特征在于步驟二中加入無水乙醇后攪拌速度為20500r/min，攪拌時(shí)間為5300min。7、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料的制備方法，其特征在于步驟三中在溫度為30°C、攪拌速率為600r/min的條件下將溶液A以1滴/s的速度加入溶液B中。8、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料的制備方法，其特征在于步驟四中氮?dú)獾募兌葹?9%。全文摘要一種吸附-光催化雙功能炭吸附材料及其制備方法，它涉及一種炭吸附材料及其制備方法。它解決了現(xiàn)有炭吸附材料對(duì)苯酚去除效果差、再利用率差及光催化劑活性低的問題。吸附-光催化雙功能炭吸附材料由TiO₂顆粒和活性炭制成。方法一、制溶液A；二、制溶液B；三、采用溶膠-凝膠法制炭吸附材料前軀體；四、將炭吸附材料前軀常溫靜置而后老化，干燥并研磨，再轉(zhuǎn)入氮?dú)猸h(huán)境中、升溫至180～220℃并保溫1h，然后再加熱至450～550℃并保溫2h，再冷卻至室溫。本發(fā)明得到的產(chǎn)品對(duì)苯酚去除率為炭吸附材料的3.7～6.7倍，再利用率提高了6倍，具有很強(qiáng)光催化活性且在封閉環(huán)境中使用有毒物質(zhì)徹底分解為無毒、無害、無味的物質(zhì)。文檔編號(hào)B01J20/20GK101402032SQ20081013741公開日2009年4月8日申請(qǐng)日期2008年10月29日優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日發(fā)明者劉守新申請(qǐng)人:劉守新