專利名稱：一種二氧化鈦/活性炭纖維光催化劑及其制備方法和在空氣凈化中應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種TiO2(二氧化鈦)/ACF(活性炭纖維)固定化光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著生活水平的提高，大量的石油產(chǎn)品及能夠產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)的日用品、裝飾品，尤其是室內(nèi)裝修使用的建筑材料和油漆、涂料等源源不斷地進(jìn)入了人們的居室及工作場(chǎng)所。人們?cè)谙硎苓@些產(chǎn)品帶來(lái)的舒適和滿足的同時(shí)，它們正不斷地產(chǎn)生著各種污染物質(zhì)和有害物質(zhì)，破壞室內(nèi)空氣質(zhì)量。而建筑節(jié)能、室內(nèi)保溫、中央空調(diào)等，使居室和辦公場(chǎng)所的密封性更好，室內(nèi)產(chǎn)生的污染物很難向室外擴(kuò)散。長(zhǎng)期生活在這樣建筑物內(nèi)的人會(huì)出現(xiàn)頭痛、呼吸道感染、疲勞嗜睡、發(fā)熱惡心、皮膚瘙癢和異常性過(guò)敏等癥狀。而且正常人常年有80％～90％以上的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，因此長(zhǎng)期處在惡劣的室內(nèi)環(huán)境中所遭受的潛在危害是無(wú)法估量的。
利用半導(dǎo)體光催化氧化(photocatalytic oxidation，PCO)的方法降解空氣中的VOCs是近年來(lái)日益受到重視的一項(xiàng)污染治理新技術(shù)。這個(gè)過(guò)程不需要其它化學(xué)助劑，反應(yīng)條件溫和，而且最終產(chǎn)物通常只有CO2和H2O，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，是一個(gè)非常有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域。該方法尤其適合于難以或無(wú)法生物降解的有毒有機(jī)物質(zhì)。作為光催化劑的物質(zhì)主要是半導(dǎo)體氧化物，如TiO2、WO3、MgO、Fe2O3、ZnO和CdS等，其中TiO2由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕能力強(qiáng)、成本低、無(wú)毒和光催化活性高等優(yōu)點(diǎn)而最具應(yīng)用前景。但是相對(duì)吸附型的材料而言，TiO2光催化劑的吸附性能比較差，而且空氣中的有機(jī)污染物濃度也往往比較低，因此很難有效富集到TiO2表面，從而大大影響了TiO2光催化劑對(duì)室內(nèi)外低濃度揮發(fā)性有機(jī)物的光催化效率，導(dǎo)致光催化降解的效率低下，不能有效實(shí)現(xiàn)低濃度揮發(fā)性有機(jī)物的降解脫毒。
活性炭纖維(activated carbon fiber，ACF)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種炭質(zhì)吸附材料，它是繼粉狀和粒狀活性炭之后的第三種形態(tài)的活性炭(activated carbon，AC)。ACF直徑細(xì)，比表面積大(達(dá)1000～3000m2/g)，故吸附能力強(qiáng)，吸附容量大，微孔含量大(達(dá)90％以上)，孔徑小，其平均孔徑小于2nm，微孔可以直接與吸附物質(zhì)接觸，使得ACF系統(tǒng)能很快達(dá)到吸附，從而能有效地吸附低濃度以至痕量的可吸附物質(zhì)。但活性炭纖維作為一種吸附劑，達(dá)到飽和吸附后，存在和其它活性炭材料必須再生才可恢復(fù)其吸附能力的難題。因此，利用在ACF上負(fù)載TiO2光催化劑提高光催化降解氣態(tài)揮發(fā)性有機(jī)污染物方面的研究報(bào)道相對(duì)較少，具有非常重要的應(yīng)用前景，而且對(duì)苯和乙醚等為代表的毒害有機(jī)物的氣相光催化降解的最佳工藝條件未見(jiàn)有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種制備工藝簡(jiǎn)單、光催化效率高、價(jià)格便宜、具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的TiO2/ACF光催化劑材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述TiO2/ACF光催化劑的制備方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述TiO2/ACF光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用。
本發(fā)明采用ACF(活性炭纖維)作為載體負(fù)載TiO2催化劑，利用它的吸附性能對(duì)室內(nèi)空氣中的低濃度有機(jī)污染物進(jìn)行快速吸附，達(dá)到污染物在載體上的富集，然后再在負(fù)載在ACF上的TiO2催化劑表面進(jìn)行原位的光催化反應(yīng)，使低濃度有機(jī)污染物進(jìn)行有效的光催化反應(yīng)，直至完全轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氧化碳、水和簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，使ACF不斷原位再生，該過(guò)程高效且無(wú)二次污染。
本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)TiO2/ACF光催化劑的制備方法包括如下工藝步驟(1)在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.005～0.100加入稀硫酸溶液，攪拌均勻后在超聲波中震蕩10～60分鐘，制得酸化乳液。
(2)活性碳纖維(ACF)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌，洗滌干凈后于50～100C烘干，浸入上述制得的1～10％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩10～60分鐘后取出，在50～100℃烘干，即可制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將上述光催化劑前驅(qū)物在150～350℃煅燒保溫2～10h，制成TiO2/ACF光催化劑。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述氫氧化鈦乳液的制備方法包括如下步驟將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無(wú)定形的絮狀沉淀進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進(jìn)行打漿后得到氫氧化鈦乳液。
步驟(1)所述稀硫酸溶液按體積比計(jì)蒸餾水∶硫酸為2～10∶1配制。步驟(2)所述活性碳纖維包括活性炭纖維布或活性炭纖維氈等。
如有需要，將步驟(2)制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，即可制得加載不同層數(shù)氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。特別優(yōu)選的方案是，所述光催化劑前驅(qū)物可加載1～6層氫氧化鈦。將步驟(2)制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)1～5次，即可相應(yīng)制得加載有2～6層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
本發(fā)明所述的TiO2/ACF光催化劑由上述制備方法制備而成。
本發(fā)明所述的TiO2/ACF光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用，可降解空氣中的苯、乙醚等揮發(fā)性有機(jī)污染物。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、光催化效率高，價(jià)格便宜、具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。ACF具有很大的比表面積，對(duì)空氣中的有機(jī)物具有很大的吸附容量，可以使得空氣中的大量的低濃度有機(jī)污染物吸附富集在TiO2/ACF上，可以大大提高負(fù)載在ACF上的TiO2對(duì)空氣中低濃度有機(jī)污染物的降解效率；且本發(fā)明通過(guò)添加了硫酸制備了高吸附活性固體超強(qiáng)酸光催化劑，從而可以大大提高其對(duì)低濃度有機(jī)污染物的降解效率。


圖1為T(mén)iO2/ACF(活性炭纖維布)吸附苯和乙醚動(dòng)力學(xué)圖；圖2為T(mén)iO2/ACF(活性炭纖維布)光催化降解苯和乙醚動(dòng)力學(xué)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，調(diào)節(jié)溶液pH值為7，將生成的白色無(wú)定形的絮狀沉淀進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進(jìn)行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.005加入稀硫酸溶液(按體積比計(jì)蒸餾水∶硫酸為2∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩60分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維布(比表面1000m2/g，苯吸附飽和量35％)2次，洗滌干凈后于50℃烘干，浸入上述制得的10％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩60分鐘后取出，在50℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在150℃煅燒保溫10h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實(shí)施例2(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無(wú)定形的絮狀沉淀進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進(jìn)行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.05加入稀硫酸溶液(按體積比計(jì)蒸餾水∶硫酸為6∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩30分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維氈(比表面1200m2/g，苯吸附飽和量50％)3次，洗滌干凈后于80℃烘干，浸入上述制得的8％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩30分鐘后取出，在80℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。將制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，可制得加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在350℃煅燒保溫2h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實(shí)施例3(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無(wú)定形的絮狀沉淀進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進(jìn)行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.10加入稀硫酸溶液(按體積比計(jì)蒸餾水∶硫酸為10∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩60分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維氈(比表面1200m2/g，苯吸附飽和量50％)1次，洗滌干凈后于100℃烘干，浸入上述制得的5％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩60分鐘后取出，在100℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。將制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，可制得加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物，再次重復(fù)步驟(2)，即可制得加載3層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載3層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在200℃煅燒保溫6h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實(shí)施例4(1)將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無(wú)定形的絮狀沉淀進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進(jìn)行打漿后得到氫氧化鈦乳液，在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.02加入稀硫酸溶液(按體積比計(jì)蒸餾水∶硫酸為4∶1配制)，攪拌均勻后在超聲波中震蕩50分鐘，制得酸化乳液，密封保存。
(2)用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌活性炭纖維布(比表面1000m2/g，苯吸附飽和量35％，)2次，洗滌干凈后于100℃烘干，浸入上述制得的1％的酸化乳液(質(zhì)量體積比)中，于超聲波中震蕩50分鐘后取出，在100℃烘干，即可制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。將制得加載1層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，可制得加載2層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物，再重復(fù)步驟(2)4次，即可制得加載6層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
(3)將加載6層氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物在250℃煅燒保溫4h，制成TiO2/ACF光催化劑。
實(shí)施例5TiO2/ACF光催化劑在空氣中有害揮發(fā)性有機(jī)物凈化中的應(yīng)用
TiO2/ACF光催化劑對(duì)苯和乙醚兩種有機(jī)物的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖1。從圖1中可以看出，TiO2/ACF光催化劑對(duì)苯和乙醚均具有較好的吸附能力，在前50分鐘的吸附時(shí)間中吸附速度較快，以后速度逐漸減慢，在吸附時(shí)間為120分鐘時(shí)，苯的吸附率為48.5％，乙醚的吸附率高達(dá)81.8％。由此可見(jiàn)同一光催化劑對(duì)苯和乙醚兩種不同揮發(fā)性有機(jī)物的吸附率具有較大的差別，這可能是乙醚的分子結(jié)構(gòu)較小，而苯分子具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)分子較大所導(dǎo)致的。但是總體而言，該TiO2/ACF光催化劑對(duì)空氣中所含的苯和乙醚為代表的揮發(fā)性有機(jī)物具有很好的吸附效果。
圖2給出了TiO2/ACF光催化劑對(duì)苯和乙醚兩種揮發(fā)性有機(jī)物的光催化降解的動(dòng)力學(xué)曲線。曲圖2可以看出，TiO2/ACF光催化劑對(duì)苯和乙醚均具有很高的光催化去除效率。從TiO2/ACF光催化降解苯和乙醚的曲線可以看出，在反應(yīng)初期，空氣中苯和乙醚的濃度下降的比較快，到反應(yīng)后期逐漸變得較平和。這可能是由于開(kāi)始時(shí)TiO2光催化降解了預(yù)先吸附在ACF上的苯和乙醚，使ACF的吸附能力得以再生，再生后的ACF又繼續(xù)吸附空氣中新的苯和乙醚，這時(shí)吸附與光催化同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)污染物吸附到ACF上和在TiO2表面上光催化降解的速率達(dá)到平衡時(shí)，光催化降解率也達(dá)到最大值，并在不斷循環(huán)進(jìn)行吸附與光催化反應(yīng)，此時(shí)降解曲線變得比較平和。而且隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，苯和乙醚的去除率明顯增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到120分鐘時(shí)，其降解率分別達(dá)到88.9％和85.4％。由此可見(jiàn)，該光催化劑對(duì)兩種揮發(fā)性有機(jī)物均具有非常好的去除效率。這說(shuō)明采用ACF作為載體負(fù)載TiO2催化劑，利用ACF的吸附性能可以對(duì)室內(nèi)空氣中的低濃度有機(jī)污染物進(jìn)行快速吸附，而ACF表面吸附的污染物也可以通過(guò)表面遷移等途徑轉(zhuǎn)移到TiO2光催化劑表面發(fā)生光催化降解反應(yīng)，使ACF得以原位再生，即TiO2/ACF光催化劑上TiO2具備使載體ACF原位再生的能力。
如上所述，可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于包括如下工藝步驟(1)在氫氧化鈦乳液中按摩爾比氫氧化鈦∶硫酸為1∶0.005～0.100加入稀硫酸溶液，攪拌均勻后在超聲波中震蕩10～60分鐘，制得酸化乳液；(2)活性碳纖維用蒸餾水浸泡再經(jīng)超聲波洗滌，洗滌干凈后于50～100℃烘干，浸入上述制得的1～10％的酸化乳液中，于超聲波中震蕩10～60分鐘后取出，在50～100℃烘干，即可制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物；(3)將上述光催化劑前驅(qū)物在150～350℃煅燒保溫2～10h，制成TiO2/ACF光催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，所述氫氧化鈦乳液通過(guò)如下步驟制備將氨水加入Ti(SO4)2溶液中，生成白色無(wú)定形的絮狀沉淀進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，將洗滌干凈的沉淀進(jìn)行打漿后得到氫氧化鈦乳液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述稀硫酸溶液按體積比計(jì)蒸餾水∶硫酸為2～10∶1配制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述活性碳纖維包括活性炭纖維布或活性炭纖維氈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，將步驟(2)制得加載有氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物重復(fù)步驟(2)的操作，即可制得加載不同層數(shù)氫氧化鈦的光催化劑前驅(qū)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法，其特征在于，所述光催化劑前驅(qū)物加載1～6層氫氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的TiO2/ACF光催化劑的制備方法制備的TiO2/ACF光催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的TiO2/ACF光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于空氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種TiO
文檔編號(hào)B01J37/08GK1803291SQ200610033109
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者安太成, 胡曉洪, 傅家謨, 曾祥英, 盛國(guó)英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所