申请日2018.03.30
公开(公告)日2018.08.17
IPC分类号B01J29/40; B01J29/70; B01J35/10; C02F1/30; C02F101/34
摘要
一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂及其制备方法与应用，属于光催化材料和环境保护领域。该用于处理含苯酚废水的复合光催化剂是以钛酸钙为光催化降解主要作用物质，分子筛为载体的光催化剂。其中，钛酸钙通过等体积浸渍法与分子筛复合，之后经干燥、高温煅烧得到复合光催化剂。采用高压氙灯，光照一小时后用于处理含苯酚废水的复合光催化剂对苯酚的降解率可达24.6%～94.8%，高于光照一小时下纯钛酸钙对苯酚的降解率22.3%。所得的复合光催化剂较单一的纯钛酸钙而言，在物理特性、光催化降解效果方面均有改善。该制备方法简单，原料易得，制备过程易操作，条件温和易控制，产品催化效率高。
权利要求书
1.一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂，其特征在于，该用于处理含苯酚废水的复合光催化剂是以分子筛为载体，通过等体积浸渍法负载钛酸钙的复合光催化剂;
所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂中，钛酸钙的负载率为1%～15%。
2.如权利要求1所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂，其特征在于，所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂，为白色粉末状固体，比表面积为150～470m2/g，孔容积0.15～0.9cm3/g，平均孔半径
3.如权利要求1所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂，其特征在于，所述的分子筛为ZSM-5分子筛或β分子筛。
4.权利要求1～3中任意一项所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据要制备的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的质量M，根据钛酸钙的负载率为X%，则钛酸钙的质量为X%×M，分子筛的质量m分为(1-X%)×M;
向钛酸钙中加入(1.1α～1.3α)×m分mL的水，配制得到质量浓度为C的钛酸钙水溶液;
步骤2，将配制的浓度为C的钛酸钙水溶液加入质量为[(1-X%)×M]g的分子筛中，持续搅拌，当体系混合均匀后，停止搅拌，室温条件下，静止浸渍8～12小时，得到浸渍有钛酸钙水溶液的分子筛;
步骤3，将浸渍有钛酸钙水溶液的分子筛置于110℃～120℃下干燥2～4小时后进行煅烧，煅烧温度为550～850℃，保温4～6小时，得到分子筛负载钛酸钙的复合光催化剂。
5.如权利要求4所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的质量浓度C为配制的钛酸钙水溶液的质量浓度，单位为g/mL;
其计算公式如下：
M为用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的质量，X%为钛酸钙的负载率，α为载体分子筛的饱和吸水率。
6.如权利要求4所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的载体分子筛的饱和吸水率α的计算方法为：
α=(V水-V)/m (2)
α为载体分子筛的饱和吸水率，单位为mL/g;
V水为加入水的体积，单位mL;
m为测定的载体分子筛的质量，单位g;
V为倾倒的过量的水的体积，单位mL。
7.如权利要求6所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的载体分子筛的饱和吸水率的测定方法为：
(1)取m g测定的载体分子筛在100℃-120℃，干燥30min，冷却至室温，得到烘干后的分子筛;
(2)向烘干后的分子筛中加入V水mL的去离子水，室温条件下，浸渍8～12h，倾倒出过量的水，测出倾倒过量的水的体积为VmL，经过载体分子筛的饱和吸水率α的计算方法，得到载体分子筛的饱和吸水率α。
8.如权利要求4所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的煅烧采用的设备为马弗炉，煅烧升温速率为5～10℃/min。
9.如权利要求1所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的应用，其特征在于，包括以下步骤：
将分子筛负载钛酸钙的复合光催化剂放入含苯酚废水中，采用高压氙灯为反应光源，波长范围为320～780nm，进行光催化降解;
其中，按质量比，分子筛负载钛酸钙的复合光催化剂：废水中的苯酚=(0.3～0.5)g：0.005g。
10.如权利要求1所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的应用，其特征在于，所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的应用，采用高压氙灯，光照一小时后用于处理含苯酚废水的复合光催化剂对苯酚的降解率为24.6%～94.8%。
说明书
用于处理含苯酚废水的复合光催化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂及其制备方法与应用，属于光催化材料和环境保护领域。
背景技术
近年来，伴随着我国工业化水平的不断提升及城市化的快速发展，我国的环境保护问题日益严峻。以水污染为例，各类化工企业如洗煤厂、炼焦厂，传统企业如有色金属冶炼厂、造纸厂、纺织厂等，在产生的污水中都会含有大量的有机污染物如酚类等。这些污染物如果得不到有效处理而直接排放到环境中，必将威胁到生命的存在。如何实现对此类污染物的有效、清洁处理，已经成为实现可持续发展的重要议题。
作为最简单的酚类化合物，苯酚又名石炭酸，是一种重要的有机化工原料，可用于合成树脂、橡胶、医药等。但其毒性剧烈、刺激性强，对人体危害巨大，在自然条件下难以降解。传统方法中主要采用物理吸附、化学反应、微生物降解等对此类物质进行处理，这些传统方法存在着会带来二次污染、降解效果不理想等问题。而自从20世纪70年代光催化技术诞生以来，人们不断扩大其应用范围，时至今日，光催化技术已成为处理污染物的一个重要研究方向。
光催化材料作为一种新型催化材料，以钙钛矿、二氧化钛等为代表，具有高效、稳定、降解产物无污染等优点，对常见有机污染物、重金属离子、霉菌等都有明显的降解效果，被广泛应用于环境保护领域。作为钙钛矿的代表之一钛酸钙，因其制作工艺简单，成本低廉，催化性能好而被人们所广泛研究。但由于钛酸钙粉体颗粒细微易产生团聚，比表面积较小，在水中易形成悬浮液而回收困难，限制了其在实际生产中的大范围推广应用。
分子筛是一类具有骨架结构的微孔晶体材料，具有比表面积大和高效吸附两个明显特征。分子筛晶体具有蜂窝状结构，孔穴的体积占分子筛晶体体积的50%以上，高的空穴占比保证了其具有较大的比表面积，通常可达数百m2/g。分子筛空腔的直径一般在将分子筛与钛酸钙复合，既解决了钛酸钙比表面积小、易团聚、难以回收利用等问题，同时分子筛的吸附效应可以使污染物苯酚在光催化剂周围富集，促进钛酸钙的催化降解作用，二者的复合可以有效提升催化剂的催化降解效果。本发明以苯酚为催化降解实验对象，结果显示，其效果良好。从而为同类型新式催化剂的研究与开发提供借鉴。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂及其制备方法，是以钛酸钙为光催化降解主要作用物质，分子筛为载体的光催化剂。其中，钛酸钙通过等体积浸渍法与分子筛复合，之后经干燥、高温煅烧得到复合光催化剂。所得的复合光催化剂较单一的纯钛酸钙而言，在物理特性、光催化降解效果方面均有改善。本发明的制备方法简单，原料易得，制备过程易操作，条件温和易控制，产品催化效率高。
为实现上述目标，本发明所采用技术方案如下：
本发明的一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂，是以分子筛为载体，通过等体积浸渍法负载钛酸钙的复合光催化剂。
所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂中，钛酸钙的负载率为1%～15%;
所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂，为白色粉末状固体，比表面积为150～470m2/g，孔容积0.15～0.9cm3/g，平均孔半径所述的分子筛为ZSM-5分子筛或β分子筛。
一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，根据要制备的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的质量M，根据钛酸钙的负载率为X%，则钛酸钙的质量为X%×M，分子筛的质量m分为(1-X%)×M;
向钛酸钙中加入(1.1α～1.3α)×m分mL的水，配制得到质量浓度为C的钛酸钙水溶液;
步骤2，将配制的浓度为C的钛酸钙水溶液加入质量为[(1-X%)×M]g的分子筛中，持续搅拌，当体系混合均匀后，停止搅拌，室温条件下，静止浸渍8～12小时，得到浸渍有钛酸钙水溶液的分子筛;
步骤3，将浸渍有钛酸钙水溶液的分子筛置于110℃～120℃下干燥2～4小时后进行煅烧，煅烧温度为550～850℃，保温4～6小时，得到分子筛负载钛酸钙的复合光催化剂。
所述的步骤1中，所述的质量浓度C为配制的钛酸钙水溶液的质量浓度，单位为g/mL;
其计算公式如下：
M为用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的质量，X%为钛酸钙的负载率，α为载体分子筛的饱和吸水率;
所述的步骤1中，所述的载体分子筛的饱和吸水率α的计算方法为：
α=(V水-V)/m (2)
α为载体分子筛的饱和吸水率，单位为mL/g;
V水为加入水的体积，单位mL;
m为测定的载体分子筛的质量，单位g;
V为倾倒的过量的水的体积，单位mL;
所述的载体分子筛的饱和吸水率的测定方法为：
(1)取m g测定的载体分子筛在100℃-120℃，干燥30min，冷却至室温，得到烘干后的分子筛;
(2)向烘干后的分子筛中加入V水mL的去离子水，室温条件下，浸渍8～12h，倾倒出过量的水，测出倾倒过量的水的体积为VmL，经过载体分子筛的饱和吸水率α的计算方法，得到载体分子筛的饱和吸水率α。
所述的载体分子筛的饱和吸水率的测定方法中，烘干在烘箱中进行。
所述的载体分子筛的饱和吸水率的测定方法中，冷却采用随炉冷却。
所述的步骤2中，所述的体系混合均匀，优选搅拌时间为5～10min。
所述的步骤3中，所述的干燥采用的设备为烘箱。
所述的步骤3中，所述的煅烧采用的设备为马弗炉，煅烧升温速率为5～10℃/min。
一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的应用，包括以下步骤：
将分子筛负载钛酸钙的复合光催化剂放入含苯酚废水中，采用高压氙灯为反应光源，波长范围为320～780nm，进行光催化降解;
其中，按质量比，分子筛负载钛酸钙的复合光催化剂：废水中的苯酚=(0.3～0.5)g：0.005g。
所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的应用中，在反应过程中，配合磁力搅拌装置使用，保证用于处理含苯酚废水的复合光催化剂与苯酚溶液充分反应。
所述的用于处理含苯酚废水的复合光催化剂的应用，采用高压氙灯，光照一小时后用于处理含苯酚废水的复合光催化剂对苯酚的降解率可达24.6%～94.8%，高于光照一小时下纯钛酸钙对苯酚的降解率22.3%。
本发明的一种用于处理含苯酚废水的复合光催化剂及其制备方法与应用，与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、将分子筛与钛酸钙复合，借助于分子筛多孔、比表面积大的特性，增大了钛酸钙与反应物苯酚的接触面积，提升催化剂的催化效果。同时解决了钛酸钙粉体在水中易团聚、难以回收利用等问题。
2、由于分子筛具有吸附效应，可以使污染物苯酚在催化剂周围富集，大大缩减了反应过程中苯酚向复合催化剂“扩散”这一反应步骤，从而促进钛酸钙的催化降解作用。
