陳寒玉
(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 鄭州 450052)
TiO2作為一種高效、穩(wěn)定、無毒、價(jià)廉的光催化劑,在光催化技術(shù)降解水體有機(jī)污染物的研究領(lǐng)域一直引為研究熱點(diǎn)。光催化技術(shù)可以把甲基橙類染料廢水中的染料有效去除。但純TiO2帶隙較寬(3.2 eV),只能吸收波長(zhǎng)λ <387 nm 的紫外光,限制了其對(duì)太陽(yáng)光和室內(nèi)自然光的利用[1]。近幾年的研究表明,非金屬離子摻雜可以將二氧化鈦光催化劑的光譜響應(yīng)有效地?cái)U(kuò)展到可見光范圍。目前常用的TiO2的非金屬元素?fù)诫s改性已經(jīng)嘗試研究并具有良好的可見光催化效果的是N、S、C、F 等非金屬元素與二氧化鈦的摻雜[2-4],其中,N、S 元素的摻雜顯示出了更優(yōu)的效果[5]。N、S 共摻雜的TiO2粉體分別在430 nm 處和531 nm 處顯示了兩個(gè)光吸收峰,可見N、S 元素?fù)诫s是一種有效的使光催化劑在可見光光譜范圍有光催化響應(yīng)的方法。
在對(duì)光催化劑的應(yīng)用研究過程中發(fā)現(xiàn),改性后的TiO2光催化劑粉體由于在懸浮相中容易失活和不易回收重復(fù)使用等原因,成為實(shí)用中的瓶頸問題。因此,選用各種材料作為載體,制備負(fù)載型TiO2光催化劑成為其實(shí)際應(yīng)用的另一改進(jìn)途徑。多種不同的材料被選用并研究。如玻璃[6]、陶瓷以及碳(活性炭和碳纖維、碳納米管[7]等)材料均被研究和應(yīng)用。從粉煤灰中分離出的漂珠是一種以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主要成分的空心玻璃微珠,具有可以漂浮、絕緣、耐磨等優(yōu)點(diǎn)及良好的分散性和物化穩(wěn)定性,是一種理想的催化劑載體。黃靜等[8]以玻璃微珠為催化劑載體,采用微乳液法制備出了鐵摻雜型TiO2負(fù)載膜光催化劑,相比粉體TiO2具有更高的催化活性。
本文對(duì)粉煤灰中分離出的玻璃微珠進(jìn)行化學(xué)處理,使其表面覆蓋一層磁性物質(zhì),然后采用溶膠凝膠法,以鈦酸四丁酯為原料,制備了可磁性分離回收的負(fù)載型納米TiO2復(fù)合光催化劑,然后以硫脲為添加劑,通過非金屬N、S 摻雜,對(duì)催化劑進(jìn)行進(jìn)一步的改良,擬得到一種容易分離且有良好可見光相應(yīng)的新型光催化劑。并以甲基橙溶液為降解對(duì)象,討論了催化劑的用量、環(huán)境pH 值等因素對(duì)降解率的影響。
硝酸、檸檬酸、硝酸鐵、硝酸鋇均為分析純;蒸餾水;玻璃漂珠,取自平頂山姚孟電廠粉煤灰堆場(chǎng)的漂浮物。
79-1 型磁力加熱攪拌器;DHG-9123A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱;SX2-10-12 馬弗爐;XPA-Ⅱ光催化反應(yīng)器;TU-1810 紫外可見分光光度計(jì);JSM-5600LV 掃描電子顯微鏡;LAMBDA35 UV-Vis-DRS 光譜儀;5000C ESCA X-射線光電子能譜。
1.2.1 玻璃漂珠處理 過200 目篩子,選取均勻的漂珠。用1 ∶10 的稀硝酸浸泡12 h,清水洗滌至中性后,過濾、干燥,冷卻后備用。
1.2.2 磁性玻璃漂珠的制備 采用檸礞酸絡(luò)合硝酸鐵、硝酸鋇,制得鋇鐵氧體前驅(qū)體,其中n(Ba(NO3)2)∶n(Fe(NO3)3)∶n(檸檬酸)=1 ∶12∶19,即m(Ba(NO3)2)∶m(Fe(NO3)3)∶m(檸檬酸)=1 ∶18.55 ∶13.95。加入烘干的漂珠(漂珠和鋇鐵氧體質(zhì)量比為1 ∶1)后,再加入蒸餾水溶解。滴入氨水調(diào)節(jié)溶液pH 值為7。置于90 ℃水浴中攪拌4 ~5 h,至液體成為溶膠。于120 ℃烘4 h,得到干燥凝膠。置于馬弗爐內(nèi),以60 ℃/h 升溫速率加熱至850 ℃、保溫2 h。自然冷卻,得到暗紅色磁性漂珠。
1.2.3 磁漂浮型復(fù)合光催化劑的制備 ①15 mL鈦酸四丁酯緩慢溶解于60 mL 無水乙醇中。加入2 mL 冰醋酸抑制劑,攪拌30 min,形成淺黃色的透明溶液為A 液;②硫脲0.501 2 g 溶解于4 mL 蒸餾水中,并加入40 mL 無水乙醇,用硝酸調(diào)節(jié)溶液pH至3.0,形成無色透明溶液B;③在劇烈攪拌下,將A液逐滴加入到B 液中,繼續(xù)攪拌2 h,形成黃色透明溶膠;④將磁性漂珠浸泡在溶膠中,攪拌,使微珠載體與溶膠充分混合。濾掉多余的溶膠,把負(fù)載微珠載體立即放人100 ℃的烘箱中干燥30 min,烘干后的微珠在馬福爐中450 ℃焙燒2 h,制備得到負(fù)載型TiO2光催化劑;⑤將漂珠一部分進(jìn)行二次浸漬。重復(fù)④步驟,并進(jìn)行三次浸漬。三次浸漬要在凝膠形成以前完成。最后將剩余的凝膠進(jìn)行干燥煅燒,即可得到N、S 摻雜的粉體。
用于對(duì)比的不摻雜非金屬元素的漂浮型光催化劑的制備過程同上,只是不加入硫脲,只用蒸餾水。
取1 000 mL 的燒杯,將催化劑加入到初始濃度為10 mg/L 的甲基橙溶液中,催化劑用量為2 g/L,甲基橙溶液為300 mL。以300 W 氙燈為光源,在光催化反應(yīng)器中光解1 h。反應(yīng)過程中每隔10 min 取樣5 mL,經(jīng)離心過濾后,用分光光度計(jì)于480 nm 處測(cè)定其吸光度。
通過溶膠-凝膠法制備的磁性玻璃微珠的磁性是對(duì)其回收的關(guān)鍵。研究表明,經(jīng)過采用檸礞酸絡(luò)合法制得鋇鐵氧體前驅(qū)體能夠在空心微珠上形成穩(wěn)定的磁性膜,而且結(jié)合穩(wěn)定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證漂珠的磁性,通過把小磁鐵放入所制備的產(chǎn)物附近,結(jié)果發(fā)現(xiàn),磁珠可以容易的被磁鐵吸附(圖1)。
圖1 磁性玻璃微珠在磁鐵上的吸附Fig.1 Magnetic glass microsphere particles上圖為未處理的漂珠
2.2.1 SEM 用掃描電子顯微鏡對(duì)磁性負(fù)載TiO2催化劑進(jìn)行觀察,其形貌見圖2,圖中a 和b 是載體不同放大倍數(shù)的SEM 圖。
圖2 以磁性微珠為載體制備的負(fù)載TiO2 膜的SEM 形貌Fig.2 SEM images of the mesoprous TiO2 thin films supportted on magnetic glass microsphere
由圖2 可知,經(jīng)過化學(xué)磁性化處理和負(fù)載二氧化鈦后,催化劑已經(jīng)粘附在磁性載體微球表面,形成多孔的不連續(xù)的結(jié)晶膜,薄膜中有裂紋,小部分有脫落的現(xiàn)象,這樣的結(jié)構(gòu)可以提高光催化劑的吸附能力,更有利于污染物與催化劑的表面接觸。
2.2.2 XRD 圖3 為負(fù)載TiO2光催化劑的XRD圖譜。
圖3 負(fù)載TiO2 光催化劑的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of TiO2 photocatalysts B.P25 TiO2;C.共摻雜的粉體;D.負(fù)載后的復(fù)合光催化劑
由圖3 可知,經(jīng)過450 ℃煅燒后的光催化劑的衍射峰均為銳鈦礦相,沒有出現(xiàn)TiO2其它晶型的衍射峰;N、S 共摻雜的粉體的晶體衍射峰有了一些變化,說明N、S 元素已經(jīng)進(jìn)入了TiO2的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
2.2.3 UV-Vis 圖4 為不同二氧化鈦光催化劑的紫外-可見光漫反射光譜。
圖4 不同TiO2 光催化劑的UV-Vis 反射譜圖Fig.4 UV-Vis-DR reflection spectra of various photocatalysts
由圖4 可知,相對(duì)于沒有摻雜的純TiO2來說(其最大吸收邊在380 nm 附近),在λ >400 nm 的可見光區(qū),摻雜改性后的TiO2的反射值R 都有所降低,說明經(jīng)改性后樣品的最大吸收邊均向可見光區(qū)發(fā)生了不同程度的紅移,對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光有一定的吸收,其紅移程度依次為N-S/TiO2>N/TiO2>TiO2。其中N、S 元素?fù)诫s的樣品,比單一的N 元素?fù)诫s的樣品顯示了更強(qiáng)的可見光吸收性能,其吸收波長(zhǎng)擴(kuò)展至508 nm 左右,與前人[9]研究的N/S 元素?fù)诫s的TiO2光催化劑的表征結(jié)果一致。
2.2.4 XPS 圖5 是TiO2薄膜的XPS 全譜掃描圖。
圖5 在450 ℃煅燒后摻雜TiO2 膜的XPS 全譜掃描圖Fig.5 XPS survey spectrum of N-S-TiO2 sample calcined at 450 ℃
由圖5 可知,在催化劑的表層165 eV(對(duì)應(yīng)于以S4+形式存在的S 原子)和460 eV(對(duì)應(yīng)于以N-Ti呈現(xiàn)的N 原子),出現(xiàn)了S 和N 的特征峰。表明經(jīng)過煅燒后,S 和N 原子都是以離子形態(tài)進(jìn)入到TiO2的晶體結(jié)構(gòu)中,與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果吻合。
2.3.1 活化溫度對(duì)催化活性的影響 不同焙燒溫度對(duì)催化活性的影響見圖6。
由圖6 可知,活化溫度為450 ℃時(shí)光催化活性最好,即N450 對(duì)甲基橙的降解效果最優(yōu)。
圖6 不同煅燒溫度下的光催化劑活性Fig.6 Effects of heat treatment on the activity of catalyst
2.3. 2 pH 值對(duì)催化活性的影響 用1 mol/L NaOH 和1 mol/L 的稀硝酸把甲基橙溶液調(diào)到不同pH 值,用2 g/L 的N450 光催化劑進(jìn)行催化降解,不同pH 的初始溶液中催化劑的光催化效果見圖7。
圖7 不同pH 值初反應(yīng)條件下甲基橙的降解速率Fig.7 Effect of initial pH on the methyl orange degradation
由圖7 可知,在弱酸條件下,甲基橙褪色最快,說明在弱酸條件下N/S-TiO2光催化劑的催化活性最強(qiáng)。
2.3.3 涂層次數(shù)對(duì)玻璃微珠磁性和漂浮性的影響
每負(fù)載一次,都用磁鐵檢測(cè)其磁性。結(jié)果表明,無論是微珠靠近磁鐵的速度還是數(shù)量上幾乎一樣。說明涂層的增多對(duì)玻璃微珠的磁性影響不大。
沒有負(fù)載時(shí)玻璃微珠都處于漂浮狀態(tài),隨著負(fù)載次數(shù)的增多,玻璃微珠的漂浮性能降低,當(dāng)負(fù)載達(dá)到3 次以后,幾乎都不具有漂浮性,全部沉到燒杯底部。因此,選取2 次浸漬作為最佳涂層選擇。
在燒杯中,用磁鐵對(duì)催化反應(yīng)一次的懸浮性催化劑進(jìn)行回收,用清水洗滌、過濾、烘干后在450 ℃煅燒1 h。然后再進(jìn)行重復(fù)的光催化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),每次經(jīng)過洗滌和煅燒后的催化劑的活性降低。第二次降解率降低到84%,第三次煅燒和第四次后降解率降低到了46%和34%。原因可能為反應(yīng)副產(chǎn)物或中間產(chǎn)物在催化劑表面吸附或積累,導(dǎo)致光催化劑的活性降低。
采用溶膠凝膠法,以鈦酸四丁酯為鈦前驅(qū)體,乙醇為溶劑,乙酸為水解抑制劑,通過添加硫脲作為添加劑,以粉煤灰浮選出來的空心漂珠作為載體,經(jīng)過一定的化學(xué)處理后,把N、S 摻雜TiO2光催化劑負(fù)載到磁性的漂珠上,制備出具有磁漂浮性的TiO2復(fù)合光催化劑,在450 ℃煅燒2 h,在pH 值6.3 附近的弱酸性的溶液中,1. 5 h 內(nèi)甲基橙的光降解率達(dá)93.4%。漂浮型光催化劑具有一定的回收再利用功能。
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