的粉末活性炭复合光催化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种负载铁离子和11〇2的粉末活性炭复合光催化剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前水厂对饮用水中异嗅味物质二甲基异莰醇的治理工艺多为传统工艺，包括曝 气、混凝、沉淀、砂滤等，研宄学者对传统工艺进行了大量小试，（Lalezary S.，Pirbazari M. , McGuire M. J. and Krasner S. ff. Air stripping of taste and oder compounds from water. Jour. J腸i 1984,（3) :83-87)发现初始浓度是影响曝气去除嗅味效果的主导因素， 去除率随浓度升高而升高当浓度，在l〇〇ng/L时，二甲基异莰醇去除率只有48% ;(汪俊育， 林财富，凤山与港西净水厂臭味问题之研宄，第十七届自来水论文集，2000, 49-65)对混凝、 沉淀、砂滤去除凤山净水厂的二甲基异莰醇去除率进行研宄，发现去除率只有45%，残余浓 度依然高达47ng/L;研宄者对活性炭吸附、化学氧化和高级氧化等处理工艺也进行了深入 的探索，（Kim Y.，Lee Y.,Gcc C. S. and Choi E. Treatment of taste and oder causing substances in drinking water, 5bi. TfecA?，1997, 35(8) : 29-36.)进行了臭氧活性炭 吸附模型研宄，发现传统工艺处理后，再经臭氧氧化，二甲基异莰醇去除率只有28. 1%，，而 直接的活性炭滤床工艺对其去除率只有20. 7%。但用载铁的Ti02负载到细粒径的粉末活性 炭上并将其用于去除异嗅味物质二甲基异莰醇的光催化降解在之前尚未见相关报道。
[0003] 光催化技术具有无毒、反应温和、矿化率高，节约成本等优势已成为近年来的研宄 热点，获得业内人士的广泛推崇，同时越来越显现其广泛的应用前景。
[0004] Ti02是典型的光催化材料，化学稳定性高、无毒、对有机物的降解可彻底矿化、无 二次污染等优点，是近年来公认的极好光催化剂。但由于110 2禁带较宽(约3. 2eV)，只能响 应波长小于387nm的紫外光，对不在该波长范围的光照或太阳能利用率很低(低于5%)，光 生电子-空穴对寿命短，光量子产量低从而降低了光催化效率，制约了商业化的应用发展。
[0005] 然而经金属掺杂的掺铁/ 1102颗粒在光催化过程中又存在团聚失活、分离与难回 收问题，由此引起的成本高投入和降解率低下问题向研宄人士提出了新的要求，因此Ti0 2 的负载固定化是能否实现商业化、规模化、实用化的关键性问题。对于该问题的出现，之前 已有利用活性炭负载的相关报道。但活性炭由于颗粒较大、粒径不均匀、活性位点受限、微 孔结构不够丰富等问题，同样制约了复合催化剂的光催化效率，目前现有技术中尚未发现 有经金属掺杂的掺铁/ Ti02颗粒作为催化剂催化降解水中异嗅味物质二甲基异莰醇的应 用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的之一是为了解决的上述的Ti02光响应范围窄、易团聚失活、分离与 难回收等技术问题而提供一种负载铁离子和Ti0 2的粉末活性炭复合光催化剂，该负载铁离 子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂实现Fe离子成功掺杂到TiO 2中，同时用粉末活性炭 取代传统的颗粒活性炭。因此本发明的负载铁离子和11〇2的粉末活性炭复合光催化剂大 大提高了 Ti02的降解效率，并且由于负载铁离子，因此便于负载铁离子和Ti02的粉末活性 炭复合光催化剂的循环利用和回收。
[0007] 本发明的目的之二是提供上述的一种负载铁离子和1102的粉末活性炭复合光催 化剂的制备方法。
[0008] 本发明的目的之三是利用上述负载铁离子和1102的粉末活性炭复合光催化剂作 为催化剂催化降解水中异嗅味物质二甲基异莰醇。
[0009] 本发明的技术原理 Ti〇2作为半导体材料其能带间隙Eg=3. 2eV，最大吸收波长局限于波长小于387nm的紫 外光区，由此带来其在该波长外的其他光照条件或可见光下对目标污染物光降解率低下， 引入过渡金属铁离子能够大大拓宽Ti0 2的光响应范围，提高了该催化剂的光催化效率。
[0010] 粉末活性炭是一种粒径很细小的炭粒，经预处理筛分后粒径均匀。有很大的表面 积、活性位点丰富、微孔结构和中孔结构数量多。而且炭粒中还有更细小的毛孔细管。这种 毛细管具有很强的吸附能力。由于炭粒的表面积很大，所以能与水体充分接触。水中的有 机物等碰到毛细管时被吸附，起净化作用。粉末活性炭作为载体拥有大量的结合位点，给负 载铁离子和Ti0 2的粉末活性炭提供了有效的比表面积和孔的结构，极好的改善了市售各种 活性炭的不足。
[0011] 本发明的技术方案 一种负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂，通过包括如下步骤的方法制备而 成： (1) 、粉末活性炭的预处理： 将粒径为28-38 ym的粉末活性炭加入到质量百分比浓度为10%的盐酸水溶液中搅拌 30min后，静止浸泡48~60h，抽滤、所得的滤饼用去离子水洗涤至流出液为中性，然后控制 温度为80~120°C真空干燥4~8h，粉碎、过400-500目筛，筛下部分密封待用； (2) 、室温下，将钛酸四丁酯、无水乙醇和冰乙酸，按钛酸四丁酯：无水乙醇：冰乙酸的 体积比为1:4:0. 66的比例进行混合混勾，然后用浓盐酸调节pH为2~3,磁力搅拌30min 后超声10~20min，得到溶液A ; (3) 、将无水乙醇和去离子水按无水乙醇：去离子水的体积比为2 :0. 94的比例进行混 合，磁力搅拌30~60min后，将Fe (N03) ? 9H20加入其中继续搅拌溶解，得到溶液B; 溶液 B 中 Fe (N03) ? 9H20 的浓度为 0? 0048-0. 0966mol/L ; (4) 、控制滴加速率为4-6ml/min，将溶液B加入到步骤（2)所得溶液A中，加入完毕后 继续搅拌30~60min，超声10~20min，形成掺铁的Ti0 2溶胶； 溶液B的用量，按摩尔比计算，溶液B中Fe (N03) ? 9H20 :步骤（2)溶液A中钛酸四丁 酯为 0.005 ~0? 1:1 ; (5) 、将步骤（1)过400-500目筛筛下部分的粉末活性炭加入到步骤（4)所得的掺铁的 Ti02溶胶中，搅拌30~60min，再超声震荡1~3h，然后静置陈化24~48h，然后再控制温 度为80~120°C烘干1~4h，然后充分研磨，然后先在300°C大气热处理2~3h，再在高温 焙烧炉中控制温度为500°C隔绝空气条件下进行焙烧2~3h，然后随炉冷却，即得负载铁离 子和110 2的粉末活性炭复合光催化剂； 步骤（1)过400-500目筛筛下部分的粉末活性炭的用量，按质量比计算，步骤（1)过 400-500目筛筛下部分的粉末活性炭：掺铁的1102溶胶中的Ti 4+为1 :0. 01-0. 1。
[0012] 上述所得的负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂，由于其结合了粉末活 性炭吸附能力强和掺铁Ti0 2光催化效率高、产品成本投入低、易于制备等优势，因此该复合 光催化剂对水中痕量有机污染物二甲基异莰醇具有很好的催化降解能力，其用量按质量比 计算，二甲基异莰醇：负载铁离子和Ti〇d9粉末活性炭复合光催化剂为1:50000。
[0013] 上述所得的负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂使用后，其再生的方 法，步骤如下： 将上述反应液中的使用后的负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂采用离 心的方式分离出，然后用去离子水进行洗涤，然后过滤，所得的滤饼在60-80°C烘干后，在 28-32°C太阳光下光照4-10h即完成负载铁离子和Ti0 2的粉末活性炭复合光催化剂再生。
[0014] 上述再生后的负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂，可循环使用3-4 次，其对二甲基异莰醇的降解率依然能到达54. 87-88. 75%。
[0015] 本发明的有益效果 本发明的一种负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂，成功利用溶胶-凝胶法 先将铁离子掺杂到1102上，再将它们通过浸渍负载到粉末活性炭上，因此，最终所得的负载 铁离子和110 2的粉末活性炭复合光催化剂中，过渡金属铁离子掺杂的Ti02能够弥补单一 1102对光照的响应带宽偏窄的不足，因而光响应范围也从得到延伸，提高了 1102对光的有 效利用。
[0016] 进一步，本发明的一种负载铁离子和Ti02的粉末活性炭复合光催化剂，由于其制 备过程载体选用粒径28-38 ym的粉末活性炭取代了普通的颗粒较大的活性炭，该情形下， 粒径变小，比表面积变大，增加粉末活性炭与水体接触面积，丰富的微孔和介孔也带来活性 位点变多，吸附性能变强。同时，载体粉末活性炭的加入不仅提供了最终所得的符合光催化 剂循环利用和二次回收的新途径，而且大大降低了处理成本和提高光催化效率，操作简单、 设备要求低