氮摻雜TiO₂-SiO₂復合光催化劑在降解處理污水中的應用的制作方法

專利名稱：氮摻雜TiO₂-SiO₂復合光催化劑在降解處理污水中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及污水處理技術，特別涉及一種氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑在降解處理污水中的應用。
背景技術：
中國是水資源比較匱乏的國家，隨著中國城市化、工業化的加速，水資源的需求也日益增大。與此同時城市生活污水排放量越來越大，水污染已經成為我國國民經濟快速發展的重要瓶頸，如果不能很好地解決水污染問題，我們的國民經濟發展將受到嚴重的制約， 因此如何高效的處理生活污水成為備受關注的焦點。生物法、膜分離技術來處理生活污水存在成本相對較高，處理后廢水不能回用等問題。光催化降解法處理有毒及污染化學物質具有高效節能、無二次污染和經濟等特點， 在環境凈化等領域有著廣泛的應用。光催化技術是21世紀環境友好的催化新技術。在光的作用下，利用半導體材料表面產生的強氧化基團，氧化并降解大多數有毒有害有機物，以及氮氧化物、硫氧化物等無機有害物質，最終達到高效治理的目的，并可使材料表面產生殺菌、自潔及超親水功能。該技術無二次污染、對有機物無選擇性、能有效治理成分復雜和難生化降解的多種有機污染物，在環境保護領域(如廢水廢氣凈化和空氣凈化)、太陽能利用、有機合成以及自潔材料生產等領域具有廣闊的應用前景，素有“光清潔革命”之稱，是近年來在國內外最活躍的研究領域之一。在各種半導體中，TiO2的高催化活性、無毒、低成本和性質穩定等優點使其具有廣闊的應用前景。TiA光催化劑由于其擁有3. 2eV大帶隙只能在紫外光照射下激活，因此豐富的太陽光不能得到有效地利用。利用金屬和非金屬元素改性Ti02材料使其光響應到可見光區域，抑制電子和空穴的復合，從而提高了光催化劑的光催化活性，然而改性T^2納米粒子表面能高，容易聚集，因而影響其光催化活性的發揮， 所以通常采用對改性TW2催化劑固化來提高其光催化活性。SW2多孔膜因其具有比表面積大和制備便捷優點而成為改性TiA光催化劑最合適的載體之一。目前國內外研究者利用制備的光催化劑來降解模擬污染物(羅丹明、亞甲基藍及橙黃II等)，在《催化通訊》雜志2010年11卷第378頁的文章“作為高效可見光光催化劑的氮摻雜Si02/Ti&核/殼納米微粒，，(Kim,C. H. ；Choi Μ. J. ；Jang J. . Nitrogen-doped core/shell nanoparticles as highly efficient visible light photocatalyst, Catal. Comm.) 利用光催化劑降解模擬污染物取得良好的效果，然而利用光催化劑降解生活污水罕有報道。

發明內容
本發明要解決的技術問題是利用光催化劑降解生活污水。為此，本發明提供一種氮摻雜Tio2-SW2復合光催化劑在降解處理污水中的應用。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案。本發明可用于城市生活污水的處理。本發明巧妙的利用了氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑的特殊性質，SiO2作為載體能夠解決粉狀TiA在實際應用中的易團聚和難回收的問題。氮的摻雜使得TiA的帶隙變窄同時氮替換了少量的晶格氧形成Ti-N鍵使半導體帶隙能降低，這樣可以使氮摻雜TiO2-S^2復合光催化劑的吸收帶紅移到可見光范圍內，使其可以被可見光激發。利用這一特性，該氮摻雜TiO2-S^2復合光催化劑可以用于生活污水的處理。實際應用過程中我們發現氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑在紫外光下具有很強的光催化能力，同時在可見光下也具有一定的光催化能力，可以氧化生活污水中的有機污染物， 其在生活污水處理中具有廣闊的應用前景。本發明的氮摻雜TiO2-SiO2復合光催化劑降解處理污水的原理為氮摻雜 TiO2-SiO2復合光催化劑受到紫外或可見光照射后，TiO2價帶上的電子受激發躍遷到導帶， 在價帶和導帶間形成電子-空穴對。光生電子和空穴與H2O和A反應形成羥基自由基，這些羥基自由基具有很強的氧化分解能力，可以破壞生活污水中的有機污染物，達到凈化水體的目的。本發明的氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑降解處理污水的方法是用酸或堿調節生活污水的PH為2 10，超聲分散氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑，開啟光源照射。本發明所述的降解處理污水的方法中，光源為汞燈和氙燈作為光源。所述的酸是鹽酸、硫酸或硝酸的一種，堿是氫氧化鈉。所述的照射時間為60 360min。本發明所述的氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑的用量為0. 5 1. 5g -Γ1含生活污水。經試驗證明，紫外光下生活污水的C0D& (化學需氧量)去除率達到55.7%。本發明所述的氮摻雜TiO2-SiO2復合光催化劑，可以尿素為氮源，使用簡單的溶膠-凝膠法進行制備。具體制備方法如下(1)將一定量的正硅酸乙酯溶于無水乙醇中，按照比例滴入濃鹽酸和去離子水，攪拌一段時間后轉入三口瓶中，在60°c下加熱回流2h，即得硅溶膠。(2)將一定量的鈦酸四丁酯在強力攪拌下滴入含一定量去離子水的濃鹽酸中，呈微黃色，攪拌15min，再將其滴入含有尿素的無水乙醇中，持續攪拌30min，即得鈦溶膠。(3)將鈦溶膠滴加到已經冷卻至室溫的硅溶膠中，連續攪拌，液體呈現微黃色。兩者混合后繼續攪拌8h，室溫下老化7天。(4)在400°C下煅燒他，得到白色的氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑。本發明的有益效果是，氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑處理生活污水在常溫常壓下即可進行，適用范圍廣，具有良好的光催化活性的催化劑在反應過程中可循環使用，無二次污染，這將促進光催化劑降解污水的工業化進程。


圖1為不同鈦和硅摩爾比制備出的氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑對生活污水 CODtt去除率的影響。圖2為本發明中不同光源對生活污水CODtt去除率的影響。圖3為本發明中不同催化劑用量對生活污水CODtt去除率的影響。圖4為本發明中不同pH值對生活污水CODtt去除率的影響。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
實施例1 在四個石英杯中分別加入生活污水200ml，分別加入不同鈦和硅摩爾比的四個氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑o. 2g，按照用量為1. Og .L-1放入生活污水中，初始液pH = 6。 懸浮液在黑暗環境下超聲20min，使用375W的汞燈進行紫外光照射360min，連續通氧，間隔 60min取一次樣。按照GBl 1914-1989測定C0D&，反應結果見圖1，隨著TW2含量的增加，催化劑表面產生更多的羥基自由基，提高了光催化劑的催化效率。作為對照，在一個石英杯中加入生活污水200ml，在石英杯中不加入任何光催化劑，在黑暗環境下超聲20min，使用375W的汞燈進行紫外光照射360min，連續通氧，間隔 60min取一次樣。反應結果表明生活污水C0D&基本無變化。實施例2 在兩個石英杯中分別加入生活污水原水200ml，分別加入氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑0. 2g，按照用量為1. Og ·廠1放入生活污水中，初始液pH = 6。分別采用375W的汞燈和配置450nm截止型濾光片的500W氙燈照射360min，通氧。反應結果見圖2，光催化劑在可見光下具有一定的光催化活性。作為對照，在一個石英杯中加入生活污水200ml，加入氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑0. 2g，按照用量為1. Og -Γ1放入生活污水中，懸浮液在黑暗環境下超聲20min，黑暗條件下連續通氧，間隔60min取一次樣。反應結果表明生活污水CODtt基本無變化。實施例3 在三個石英杯中分別加入生活污水原樣200ml，在三個石英杯中分別加入氮摻雜 TiO2-SiO2復合光催化劑，分別按照用量0. 5g · L-1U. Og · L-1U. 5g · L—1放入生活污水中，初始液pH = 6。懸浮液在黑暗環境下超聲20min，使用375W的汞燈進行紫外光照射360min， 連續通氧，間隔60min取一次樣。反應結果見圖3，表明增加催化劑的用量可以加快光催化反應的進行。實施例4 在多個石英杯中，分別加入生活污水原水200mL，加入氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑0. 2g，按照用量為1. Og · L-1放入生活污水中。分別用硫酸和氫氧化鈉調節各石英杯中的生活污水PH值為2，4，8，10，結果見圖4。體系存在最佳pH值，pH值過高過低都不利于生活污水的降解。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
權利要求
1.氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑在降解處理污水中的應用。
2.如權利要求1所述的氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑在降解處理污水中的應用，其特征是方法如下，用酸或堿調節生活污水的PH為2 10，超聲分散氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑，開啟光源照射。
3.如權利要求2所述的氮摻雜TiO2-SW2復合光催化劑在降解處理污水中的應用，其特征是，所述的氮摻雜TiO2-SiA復合光催化劑處理生活污水中時的用量為0.5 ι. Sg-T10
4.如權利2所述的氮摻雜TiO2-SiO2復合光催化劑在降解處理污水中的應用，其特征是，所述的光源為汞燈和氙燈。
5.如權利要求2或4所述的氮摻雜TiO2-SiO2復合光催化劑在降解處理污水中的應用， 其特征是，光源照射的時間為60 360min。
全文摘要
本發明公開了氮摻雜TiO2-SiO2復合光催化劑在降解處理污水中的應用。在紫外或可見光照射下，激發具有光響應的氮摻雜TiO2-SiO2復合光催化劑產生電子空穴對，利用經過一系列反應生成的高度化學活性基團把生活污水中的污染物降解成無污染物質，達到凈化污水的目的。本發明的方法在常溫常壓下即可進行，適用范圍廣，具有良好光催化活性的光催化劑在反應過程中可循環使用，無二次污染，這將促進光催化降解污水的工業化進程。
文檔編號C02F1/32GK102531099SQ201210053548
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者周國偉, 宋宏斌, 張華勇, 王春鳳, 陳豐嬌 申請人:山東輕工業學院