本發(fā)明屬于光催化領(lǐng)域，具體涉及一種用于污水處理的光催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
我國是聯(lián)合國指定的13個貧水國之一，水資源匱乏。同時又面臨著嚴(yán)峻的水污染問題。水處理技術(shù)粗略分為兩類：生物處理技術(shù)和物化處理技術(shù)。其中生物處理技術(shù)是廢水凈化的主要工藝。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們對環(huán)境的要求不斷提高，傳統(tǒng)水處理工藝中的物理方法、生物方法往往不能得到滿意的結(jié)果。
光催化氧化技術(shù)是近20年才出現(xiàn)的水處理新技術(shù)。光催化氧化法在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用已引起世界各國高度重視,我國在這方面也加強(qiáng)了投資力度。近幾年來，光催化氧化法處理cod以成本低、無二次污染的突出優(yōu)點(diǎn)，已得到人們的普遍認(rèn)可。選擇高效的催化劑，摸索最佳的操作參數(shù)，尋求最佳的解決方案,提高污水中有機(jī)物的分解率是我們研究的目的，其在工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用潛力是巨大的。
光催化是在一定波長光照條件下，半導(dǎo)體材料發(fā)生光生載流子的分離，然后光生電子和空穴在與離子或分子結(jié)合生成具有氧化性或還原性的活性自由基，這種活性自由基能將有機(jī)物大分子降解為二氧化碳或其他小分子有機(jī)物以及水,在反應(yīng)過程中這種半導(dǎo)體材料也就是光催化劑本身不發(fā)生變化。光催化技術(shù)作為一種高效、安全的環(huán)境友好型環(huán)境凈化技術(shù)，對污水質(zhì)量的改善已得到國際學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。
二氧化鈦光催化技術(shù)可以有效分解水中的有機(jī)污染物cod。目前光催化技術(shù)推廣的主要障礙在于成本過高，性能不穩(wěn)定容易中毒的問題。非固載的光催化劑粉體在使用過程中，由于顆粒粒度小，因而回收困難，容易中毒，且當(dāng)溶液中有高價陽離子時不易發(fā)散，固載后上述問題基本解決。目前所采用的載體大多為無機(jī)材料，主要為硅酸鹽和金屬，玻璃易成型、透光性好，但表面光滑，對催化劑的附著能力差、對催化劑易流失、比表面積小，影響光催化劑的活性。
申請?zhí)枺?00810051025.9的中國專利涉及一種無機(jī)功能材料的制備，尤其是以微孔礦物為載體，負(fù)載寬禁帶n型半導(dǎo)體制備光催劑及其方法。其用天然微孔礦物和人工改性獲得的微孔礦物制備成載體，采用溶膠-凝膠浸漬方法實現(xiàn)負(fù)載具有光催化功能的n型半導(dǎo)體及復(fù)合半導(dǎo)體，所制得的催化劑應(yīng)用于有機(jī)污染物的光催化降解或作為涂料填料的應(yīng)用。但是上述制備方法制備的半導(dǎo)體或復(fù)合半導(dǎo)體存在顆粒不均勻，易中毒，耐水性差且催化效率不夠高的問題。
因此，如何制備一款有效性能穩(wěn)定且催化效率高的光催化劑是目前需要解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于污水處理的光催化劑及其制備方法，本發(fā)明的光催化劑中其催化作用的納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠，銳鈦型納米級氧化鈦與稀土固溶體均勻地附著于硅氣凝膠的孔洞表面，制備出能夠長效、強(qiáng)效地吸附分解水中的有機(jī)污染物cod的光催化材料，制備過程避免了納米級氧化鈦的團(tuán)聚難題，同時大大降低了燒結(jié)溫度，降低了成本。將納米二氧化鈦負(fù)載到氣凝膠上，使氣凝膠不僅具有吸附捕捉游離在水中的有機(jī)污染物cod的功能，而且依靠均勻負(fù)載固定在氣凝膠表面或納米孔壁的納米tio2的光催化作用能把氣凝膠納米孔洞內(nèi)吸附捕捉水中的有機(jī)污染物cod在光照條件予以分解。既解決了氣凝膠本身不具備光催化降解功能，又克服了單分散純納米二氧化鈦吸附捕捉功能的不足；使吸附捕捉水中的有機(jī)污染物cod等污染物的功能與光催化降解水中的有機(jī)污染物cod等污染物的功能集于一身。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
本發(fā)明的用于污水處理的光催化劑，所述光催化劑包括微孔陶瓷載體、納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體和粘結(jié)劑，三者的質(zhì)量比85-93:6-10:0.2-2.8；納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠通過粘結(jié)劑的粘結(jié)作用負(fù)載在微孔陶瓷載體上；所述微孔陶瓷載體的孔徑為800nm-3200nm，納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體的粒徑為800-1300nm；本發(fā)明的光催化劑基本呈中性，所述光催化劑浸泡于水中12h后，測浸泡水的ph值為7-7.5時，催化劑耐水性達(dá)標(biāo)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)只有在本發(fā)明的光催化劑基本呈中性時，微孔陶瓷載體、納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體和粘結(jié)劑三者才能牢固結(jié)合，用于污水處理，否則極易從水中脫落。
本發(fā)明的用于污水處理的光催化劑的光催化效果：光催化降解速率≥90.8g/30min，穩(wěn)定性≥99.84％，使用壽命≥3年，透光率≥90％，孔隙率≥75％，比表面積≥500m2/g。本發(fā)明的光催化劑耐水性好，用時沖擊1h后，重量損失率為1-1.2％。
納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠須附著于載體之上方可以使用，載體須符合以下條件：1、必須具備相當(dāng)大的比表面積；2、必須耐高溫，因為光催化劑的二氧化鈦只有通過高溫才有可能達(dá)到銳鈦晶型，二氧化鈦只有達(dá)到銳鈦晶型方才具備光催化性質(zhì)；3、必須具備良好的耐水性、耐沖擊、耐老化、耐腐蝕以及良好的安裝與使用性能等。當(dāng)然還有物料的化學(xué)性質(zhì)、工藝過程的難易程度、以及總成的性價比等多種因素，陶瓷載體是較好的。
如上所述的用于污水處理的光催化劑，所述微孔陶瓷載體為微孔堇青石載體、蛭石陶瓷載體、硅藻土陶瓷載體；所述微孔陶瓷載體中孔的形狀為蜂窩狀或圓柱狀；
納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒的制備方法為：
(1)將硅氣凝膠顆粒經(jīng)300目篩，浸泡于20℃氨水中30～36h，得到料a；將稀土硝酸鹽以1:1重量比溶于去離子水中，過濾后得到料b；
(2)以硫酸鈦轉(zhuǎn)化為氧化鈦的重量比計為5％，將所需的硫酸鈦與重量比計為95％的去離子水進(jìn)行混合制成溶液；對溶液進(jìn)行持續(xù)攪拌并加熱到75～90℃，保持恒溫，在60～90分鐘內(nèi)勻速加入步驟(1)制取的料a，攪拌轉(zhuǎn)速控制在500～800轉(zhuǎn)/分鐘的同時開啟超聲振動，加入料a的量是由硅氣凝膠的重量決定，硅氣凝膠的重量是以硫酸鈦轉(zhuǎn)化為氧化鈦的重量的0.36～0.5倍；
(3)繼續(xù)加入適量氨水將ph值為調(diào)節(jié)至8.0～9.5，然后以30～80轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度繼續(xù)攪拌，攪拌的同時開啟超聲振動；反應(yīng)60～90分鐘，得到漿料c；
(4)將漿料c過濾、洗滌，控制漿料c的ph值為7～8，同時使過濾、洗滌后的漿料c的固含量>40％；然后，加入其2倍的去離子水，同時加入料b，其中，料b中稀土硝酸鹽以氧化物計的重量是氧化鈦重量的3～7％，攪拌轉(zhuǎn)速控制在500～800轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌升溫至75～90℃時，滴加氨水調(diào)ph值為7～7.5，加入雙氧水，雙氧水的加入量為料b中稀土硝酸鹽以氧化物計的重量的10％，攪拌反應(yīng)30分鐘；洗滌、過濾后至物料固含量>40％時，收集并得到漿料d；
(5)將漿料d進(jìn)行噴霧干燥，干燥后進(jìn)入管式振蕩燒結(jié)爐，管式振蕩燒結(jié)爐內(nèi)的加熱溫度為450～600℃，使包覆在硅氣凝膠表面的氫氧化鈦與稀土氫氧化物轉(zhuǎn)換成納米級銳鈦型氧化鈦與稀土氧化物固溶體，最終得到納米氧化鈦與稀土氧化物固溶體復(fù)合的硅氣凝膠光催化劑。
如上所述的用于污水處理的光催化劑，步驟(1)中的稀土硝酸鹽為硝酸鑭、硝酸鈰或硝酸釹；
步驟(2)或步驟(3)中超聲振動的頻率為20～35khz，功率密度為0.3～0.8w/cm；
步驟(5)中所用噴霧干燥進(jìn)口溫度200～300℃，出口溫度100～120℃；
步驟(5)中管式振蕩燒結(jié)爐的傾斜角度為5～8℃，震動頻率為300～380次/分鐘。
作為優(yōu)選的技術(shù)方案：
如上所述的用于污水處理的光催化劑，硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法為：
(1)制備硅源和溶劑的混合溶液
取摩數(shù)3.0-4.0的硅酸鈉裝入反應(yīng)釜中，加入硅酸鈉質(zhì)量1-3倍的去離子水進(jìn)行稀釋，反應(yīng)釜以80-200轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌30分鐘，經(jīng)200目篩過濾，得到硅酸鈉溶液；
硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，它是由不同比例的堿金屬和二氧化硅所組成，其化學(xué)式為r2o·nsio2，式中r2o為堿金屬氧化物，n為二氧化硅與堿金屬氧化物摩爾數(shù)的比值，稱為水玻璃的摩數(shù)，最常用的是硅酸鈉水玻璃na2o·nsio2；
(2)溶膠
取a酸，在a酸中加入a酸金屬鹽和稀土a酸鹽，混合均勻后，以噴淋的方式加入至步驟(1)得到的硅酸鈉溶液；噴淋的同時以1200-2000轉(zhuǎn)/分的速度對反應(yīng)釜內(nèi)的物料進(jìn)行快速攪拌，控制硅酸鈉溶液的ph值為1.5-3.0，得到溶膠；
(3)凝膠
取氫氧化鈉或氨水，加入去離子水稀釋至ph值為10-11.5，以噴淋的方式加入至反應(yīng)釜中；噴淋的同時以1200-2000轉(zhuǎn)/分的速度對反應(yīng)釜內(nèi)的物料進(jìn)行快速攪拌，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)物料的ph值為4.5-5.5時，終止噴淋，得到凝膠；現(xiàn)有技術(shù)一般是采用靜置的方式進(jìn)行老化，耗時3～5天，并不會對凝膠進(jìn)行攪拌，原因是現(xiàn)有技術(shù)普遍認(rèn)為老化的過程中是需要靜置的，靜置能夠便于氣凝膠的結(jié)構(gòu)生長；
(4)老化
反應(yīng)釜內(nèi)以20-50轉(zhuǎn)/分的速度繼續(xù)攪拌3-10小時，對反應(yīng)釜內(nèi)的物料進(jìn)行老化，控制反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度為35-50攝氏度；
(5)溶劑置換
在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行持續(xù)攪拌60-180分鐘，同時加入與步驟(4)反應(yīng)釜內(nèi)老化物料同體積的置換溶劑，以置換出剩余的水分；
(6)表面修飾
在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行持續(xù)攪拌，同時繼續(xù)加入與步驟(4)反應(yīng)釜內(nèi)老化物料同體積的偶聯(lián)劑；經(jīng)過攪拌60-180分鐘，得到包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的氣凝膠前驅(qū)體。上述步驟(6)表面修飾加入的偶聯(lián)劑將氣凝膠微孔內(nèi)的水置換出來，偶聯(lián)劑填充進(jìn)氣凝膠微孔內(nèi)，能夠提高微孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高孔徑大小的平均性；此外，通過對加入不同的偶聯(lián)劑進(jìn)行表面修飾后，能夠調(diào)整氣凝膠疏水性、親水性功能。
上述采用常溫常壓工藝生產(chǎn)的氣凝膠前驅(qū)體是一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)微孔非晶態(tài)無機(jī)納米材料，具有連續(xù)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其孔隙率高達(dá)80％以上，平均孔徑為20nm左右，比表面積大于500㎡/g，密度小于70kg/m3，常溫常壓下導(dǎo)熱系數(shù)小于0.020w/(m·k)，比靜止空氣的熱導(dǎo)率0.022w/(m·k)還低，是目前難得的低成本、產(chǎn)業(yè)化、低導(dǎo)熱率的固體材料。
如上所述的用于污水處理的光催化劑，步驟(2)中，所述a酸為硫酸、鹽酸、草酸或硝酸，用去離子水調(diào)節(jié)至6-15mol/l；所述a酸金屬鹽為a酸鋯鹽或a酸鋁鹽；所述稀土a酸鹽為a酸鈰鹽、a酸釔鹽或a酸鑭鹽；
步驟(2)中，所述a酸金屬鹽和稀土a酸鹽以氧化物計，兩者的摩爾比是100:1-6；a酸金屬鹽的氧化物和硅酸鈉中氧化硅的摩爾比2-5:100；a酸金屬鹽和稀土a酸鹽容易吸潮，會導(dǎo)致計量不準(zhǔn)確，所以為了準(zhǔn)確定量其加入量，上述步驟(2)中所述a酸金屬鹽和稀土a酸鹽以氧化物計，兩者的摩爾比是100：1～6；步驟(2)中a酸金屬鹽的氧化物和硅酸鈉中氧化硅的摩爾比2～5：100；例如，a酸金屬鹽為硫酸鋁，以其氧化物計，即以氧化鋁和硅酸鈉中氧化硅的摩爾比為2～5：100；
步驟(5)中，所述的置換溶劑為甲醇、丙酮、正己烷或庚烷的一種或多種的混合物；步驟(5)或步驟(6)中所述的攪拌是在反應(yīng)釜中心提供快速的順向攪拌，反應(yīng)釜中心的外圍提供折流板；
步驟(6)中所述偶聯(lián)劑為六甲基二硅氮烷、雙(三甲硅基)乙酰胺、甲氧基三甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和甲基三甲氧基烷的一種或多種的混合物。
如上所述的用于污水處理的光催化劑，步驟(2)中，所述a酸為硫酸、鹽酸、草酸或硝酸，用去離子水調(diào)節(jié)至6-15mol/l；所述a酸金屬鹽為a酸鋯鹽或a酸鋁鹽；所述稀土a酸鹽為a酸鈰鹽、a酸釔鹽或a酸鑭鹽；
步驟(2)中，所述a酸金屬鹽和稀土a酸鹽以氧化物計，兩者的摩爾比是100:1-6；a酸金屬鹽的氧化物和硅酸鈉中氧化硅的摩爾比2-5:100；
步驟(5)中，所述的置換溶劑為甲醇、丙酮、正己烷或庚烷的一種或多種的混合物；步驟(5)或步驟(6)中所述的攪拌是在反應(yīng)釜中心提供快速的順向攪拌，反應(yīng)釜中心的外圍提供折流板；
步驟(6)中，所述偶聯(lián)劑為六甲基二硅氮烷、雙(三甲硅基)乙酰胺、甲氧基三甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和甲基三甲氧基烷的一種或多種的混合物。
如上所述的用于污水處理的光催化劑，將制備的硅氣凝膠前驅(qū)體放入干燥釜，在干燥釜內(nèi)充入氮?dú)廒s氧，直至干燥釜內(nèi)氧含量小于3％，然后對干燥釜內(nèi)的物料進(jìn)行微波真空干燥；干燥釜內(nèi)負(fù)壓0.08-0.12mpa，溫度為85-135℃，干燥后制得固態(tài)粉末狀的硅氣凝膠。
如上所述的用于污水處理的光催化劑，所述粘結(jié)劑，按照重量份數(shù)計，包括10～60重量份的鈉水玻璃、10～60重量份的鉀水玻璃、30～90重量份的水、5～40重量份的硅溶膠、1～15重量份的磷酸鋁、1～10重量份的偶聯(lián)劑a、1～15重量份的成膜助劑、5～30重量份的膨潤土，1-15重量份的機(jī)硅改性丙烯酸乳液，1-8重量份的流平劑，1-8重量份的成膜劑。
本發(fā)明還提供了一種用于污水處理的光催化劑的制備方法，包括以下步驟：
(1)取納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體放入砂磨機(jī)中研磨；
(2)用重量法制備粘結(jié)劑：
①取鈉水玻璃10～60重量份、鉀水玻璃10～60重量份、5～30重量份的膨潤土和去離子水30～90重量份混合后攪拌均勻；
②加入有機(jī)有機(jī)硅改性丙烯酸乳液1～15重量份；
③加入硅溶膠5～40重量份，攪拌均勻；
④加入磷酸鋁1～15重量份，攪拌均勻，調(diào)ph值到7-8；
⑤再加入偶合劑1～10重量份、成膜助劑1～15重量份、流平劑1-8重量份和成膜劑1-8重量份后，攪拌均勻，然后用高速分散砂磨機(jī)砂磨，制備出分散均勻的粘結(jié)劑；
(3)將研磨后的納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體加入粘結(jié)劑中攪拌均勻后加水混合，制得混合漿料；然后再將微孔陶瓷載體浸漬在上述混合漿料中后，空氣攪拌一段時間，取出微孔陶瓷載體并吹出多余漿料后，高溫?zé)Y(jié)后浸泡于稀酸溶液中12-36h后取出，清洗烘干制得用于污水處理的光催化劑。
如上所述的用于污水處理的光催化劑的制備方法，所述硅溶膠的含水量≤70％，所述有機(jī)硅改性丙烯酸乳液的固含量≥60％；
步驟(1)中，所述砂磨機(jī)的磨球為直徑為0.8-2mm的鋯球；步驟(3)中，納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體、粘結(jié)劑和加入的水的重量份數(shù)比為6-10:0.4-3:100-110；
粘結(jié)劑中的流平劑為聚醚硅氧烷流平劑；
粘結(jié)劑中的成膜助劑為乙二醇、丙二醇、十二碳醇酯或乙二醇丁醚醋酸酯；
粘結(jié)劑中的偶聯(lián)劑a為kh560、kh550中的一種或兩種；
粘結(jié)劑中的成膜劑選自醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯聚合乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液或聚苯乙烯改性乳液。
如上所述的用于污水處理的光催化劑的制備方法，步驟(3)中，空氣攪拌的方法為：裝有混合漿料的容器底部設(shè)有盤管，盤管頂部開有0.2-1mm的小孔，用2-6公斤的壓縮空氣向盤管內(nèi)充氣，實現(xiàn)空氣攪拌，空氣攪拌的時間為2-20min；
步驟(3)中，采用風(fēng)刀吹出微孔陶瓷載體內(nèi)多余漿料，吹風(fēng)次數(shù)為2次；
步驟(3)中，高溫?zé)Y(jié)時，在隧道室內(nèi)先用5h升溫到500℃，保溫1h后自由降溫，降溫后置于濃度為1wt％的稀酸溶液中；所述稀酸溶液為稀硝酸溶液、稀鹽酸溶液或稀硫酸溶液。傳統(tǒng)技術(shù)中將高溫?zé)Y(jié)后的催化劑直接置于污水中做污水處理，本發(fā)明在高溫?zé)Y(jié)后，將催化劑置于稀酸溶液中浸泡，調(diào)節(jié)催化劑的ph約為中性，增強(qiáng)復(fù)合氣凝膠在微孔陶瓷載體上的附著力，不易在污水中脫落，使用壽命長，使用效果穩(wěn)定。
氣凝膠又稱藍(lán)煙，其具有以下特性：1、氣凝膠的內(nèi)部分布有若干無窮多的納米孔和氣孔壁，空氣在納米氣孔內(nèi)不能夠自由流動，相對地吸附在氣孔壁上，氣凝膠材料處于類似真空狀態(tài)，有效減少對流傳熱，熱量在固體材料中傳遞能沿著氣孔壁傳遞；2、氣凝膠能有效地透過太陽光，并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，使材料的熱導(dǎo)率大大降低。
本發(fā)明的反應(yīng)原理為：硅氣凝膠被認(rèn)為是世界上密度最小的固體，與傳統(tǒng)的吸附材料相比，比表面積更大，具有更強(qiáng)的吸附能力，是非常理想的催化劑載體。將氧化鈦制備成稀土氧化鈦固溶體，一方面，使氧化鈦具有更高的催化活性；另一方面，稀土(鑭、鈰或釹)氧化物使納米級氧化鈦在相對較低的溫度下較大量的實現(xiàn)銳鈦晶型轉(zhuǎn)化，其中部分銳鈦晶型的氧化鈦轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型的氧化鈦。納米氧化鈦附著在硅氣凝膠微孔的比表面上，使硅氣凝膠不僅具有吸附捕捉空氣中cod等氣態(tài)污染物的功能，而且能夠依靠負(fù)載于其表面的銳鈦型氧化鈦的光催化作用，分解被吸附捕捉的有機(jī)污染物；在無光時吸附，有光時催化分解釋放被轉(zhuǎn)化的無害氣體及水份；即硅氣凝膠具有納米級的微孔結(jié)構(gòu)，在有機(jī)污染與納米級氧化鈦進(jìn)行接觸之前進(jìn)行了一個前期的篩選，使有機(jī)污染以納米級進(jìn)入硅氣凝膠的微孔與氧化鈦發(fā)生催化反應(yīng)，避免了氧化鈦長期暴露在污染中發(fā)生“中毒”而導(dǎo)致失效的情況發(fā)生；本發(fā)明將硅氣凝膠的納米級微孔結(jié)構(gòu)的前期篩選功能和納米級銳鈦型氧化鈦的催化功能的優(yōu)點(diǎn)集于一身，實現(xiàn)了該材料催化功能的長效化和強(qiáng)效化。
納米氧化鈦復(fù)合硅氣凝膠光催化劑粉體為納米二氧化鈦與硅氣凝膠(納米tio2/si氣凝膠)的復(fù)合形式，產(chǎn)品在使用時，利用硅氣凝膠吸附有機(jī)污染物，納米tio2光解有機(jī)污染物，邊吸附邊分解，達(dá)到長效分解的效果，采用邊吸附邊分解的形式，解決了吸附材料吸附飽和后功能失效的問題，吸附的污染物不會再次釋放；
本發(fā)明將納米tio2負(fù)載在硅氣凝膠表面上，其作用有以下兩點(diǎn)：
(1)從材料制備角度講，使納米tio2粒子均勻分散在氣凝膠顆粒表面，而且由于氣凝膠載體的阻礙作用，納米tio2粒子難以相互吸引團(tuán)聚；另外，由于氣凝膠載體本身所含的無定形二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁等成分使納米tio2的禁帶寬度減小，可見光的利用率提高，也即顯著提高了材料在可見光下的光催化性能；
(2)從應(yīng)用性能角度講，將納米二氧化鈦負(fù)載到硅氣凝膠上，使硅氣凝膠不僅具有吸附捕捉游離水中的cod有機(jī)污染的功能，而且依靠均勻負(fù)載固定在氣凝膠表面或納米孔壁的納米tio2的光催化作用能把氣凝膠納米孔洞內(nèi)吸附捕捉的cod在光照條件予以分解；既解決了氣凝膠本身不具備光催化降解功能，又克服了單分散純納米二氧化鈦吸附捕捉功能的不足；使吸附捕捉cod等污染物的功能與光催化降解cod等污染物的功能集于一身；雖然，同時使用吸附材料如氣凝膠和純納米tio2也能實現(xiàn)二種功能的結(jié)合，但是，由于納米tio2的用量很少和難以在吸附材料中均勻分散，納米tio2粒子可能離吸附質(zhì)氣凝膠顆粒的距離較遠(yuǎn)，因作用距離的限制難以降解氣凝膠顆粒中吸附的cod等污染物；本材料由于納米tio2粒子就在氣凝膠顆粒的表面或孔壁，能近距離作用于吸附捕捉的cod等污染物，因此，光催化降解效率較高，而且用量少。
本發(fā)明的有益效果在于：
1、本發(fā)明在制備工藝中加入了超聲振動、噴霧干燥、管式振蕩高溫?zé)Y(jié)等工藝，解決了銳鈦型納米級氧化鈦容易自發(fā)形成團(tuán)聚體的技術(shù)問題，而氧化鈦團(tuán)聚問題是導(dǎo)致制備成本居高不下的主要原因；本發(fā)明的所制備的催化材料的載體與活性組分結(jié)合牢固、附著包覆均勻，光催化性能良好，能夠長效、強(qiáng)效的吸附分解空氣中的cod、甲苯等氣態(tài)污染物；
2、本發(fā)明的制備工藝中加入一定量的稀土氧化物，能夠使納米級氧化鈦在較低的溫度下較大量的實現(xiàn)銳鈦晶型轉(zhuǎn)化，同時促進(jìn)增強(qiáng)納米氧化鈦的催化活性；本發(fā)明的使用的原料采購容易廣泛，價格低，而且，工藝方法相對簡單，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)成本低。
3、本發(fā)明中的氣凝膠以氣凝膠前驅(qū)體的形式加入，未經(jīng)過干燥處理步驟，生產(chǎn)成本低；另外，氣凝膠前驅(qū)體是在常溫常壓下制備，工藝簡單穩(wěn)定，安全性高，工藝過程從傳統(tǒng)的300h降至30h，同樣產(chǎn)能的生產(chǎn)裝置投資僅為傳統(tǒng)方法的1/20，原材料價格比傳統(tǒng)硅源低100倍以上，產(chǎn)品成本僅為傳統(tǒng)方法的1/10。
4、本發(fā)明中氣凝膠前驅(qū)體制備的工作原理是：氣凝膠前驅(qū)體的制備方法中，凝膠過程中加入的a酸金屬鹽和稀土a酸鹽，能夠達(dá)到增韌和提高硅氣凝膠耐熱性的效果；老化和溶劑置換步驟均是在攪拌的狀態(tài)下進(jìn)行，大大提高了反應(yīng)效率，壓縮了工藝時間，適合產(chǎn)業(yè)化；
5、本發(fā)明中硅氣凝膠前驅(qū)體制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：
(1)近年來，現(xiàn)有技術(shù)中有一些關(guān)于常溫差壓下制備氣凝膠的相關(guān)報道和專利文獻(xiàn)，但是大多是停留在實驗室制備階段，工藝過程較長，同時工藝實施范圍過窄，難以實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；本發(fā)明提供了常溫常壓下的制備方法，一改現(xiàn)有技術(shù)相對靜止的工藝，在關(guān)鍵工藝過程施加攪拌，加速實現(xiàn)了氣凝膠的水解、縮聚與修飾，實現(xiàn)了30h內(nèi)合成氣凝膠前驅(qū)體的工藝，提供了一種工業(yè)上批量制備稀土增韌氣凝膠的方法，為氣凝膠的大量制造與使用提供了前提；
(2)現(xiàn)有技術(shù)中阻礙氣凝膠發(fā)展的原因之一是氣凝膠具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)的邊緣較薄、較脆，抗壓強(qiáng)度低，容易受壓坍塌，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定；本發(fā)明用加入稀土a酸鹽和a酸金屬鹽，改善了該材料的韌性，提高了氣凝膠的強(qiáng)度；
(3)現(xiàn)有技術(shù)制備的氣凝膠的使用溫度偏低，一般在500℃以下使用還比較穩(wěn)定，500℃以上會導(dǎo)致氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降；本發(fā)明用加入稀土a酸鹽和a酸金屬鹽，改善了該材料的耐溫性能，提高了氣凝膠的耐熱溫度。
6、硅氣凝膠前驅(qū)體的三維立體結(jié)構(gòu)在其性能發(fā)揮過程中起著重要的作用，如果氣凝膠前驅(qū)體中的孔被粘結(jié)劑堵住就無法發(fā)揮作用；
傳統(tǒng)的氣凝膠在高溫高壓下制備，如果后期不經(jīng)特殊處理，微孔的三維立體空間容易被粘結(jié)劑或其它原料堵住而失效，進(jìn)而使其喪失隔熱效果，另外，氣凝膠微孔的三維立體空間聯(lián)合在一起會起到更好的隔熱效應(yīng)，被粘結(jié)劑分隔開之后會將氣凝膠內(nèi)部的三維立體空間割裂成孤島，進(jìn)而產(chǎn)生孤島效應(yīng)，降低氣凝膠的隔熱效果；
采用本發(fā)明中方法制備的氣凝膠前驅(qū)體內(nèi)含有置換溶劑，置換溶劑占據(jù)氣凝膠前驅(qū)體內(nèi)微孔的三維立體空間，粘結(jié)劑或其它原料無法侵入微孔中占據(jù)其三維立體空間，干燥過程中，置換溶劑揮發(fā)，溶劑揮發(fā)完畢后氣凝膠內(nèi)仍然能夠保持微孔的三維立體結(jié)構(gòu)，克服了孔被堵引起的失效及孤島效應(yīng)。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
實施例1
硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法為：
(1)制備硅源和溶劑的混合溶液
取摩數(shù)3.0水玻璃裝入反應(yīng)釜中，并用2.5倍質(zhì)量的去離子水進(jìn)行稀釋，180轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30分鐘，經(jīng)200目篩過濾，得到水玻璃溶液。
(2)溶膠
取8mol/l硫酸，加入硫酸鋯鹽(硫酸鋯鹽以其氧化鋯計，與水玻璃溶液的氧化硅的摩爾比為5:100)、硫酸釔鹽(硫酸釔鹽以其氧化釔計，與氧化鋁的摩爾比為1:100)；混合均勻后，噴淋加入至步驟(1)得到的水玻璃溶液，噴淋的同時以1300轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，控制ph值至1.5時停止噴淋，噴淋時間控制在100分鐘；得到溶膠。
(3)凝膠
將ph值為11的氫氧化鈉溶液，噴淋加入至步驟(2)所得溶膠中，噴淋的同時以1300轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，直至ph值為5時停止噴淋，用時120分鐘，得到凝膠。
(4)老化
反應(yīng)釜以40轉(zhuǎn)/分的速度對凝膠繼續(xù)攪拌10小時，控制反應(yīng)釜內(nèi)凝膠溫度為45攝氏度。
(5)溶劑置換
在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行攪拌的同時加入與老化的物料同體積的置換溶劑正己烷，攪拌2小時。
(6)表面修飾
反應(yīng)釜中加入與老化的物料同體積的偶聯(lián)劑；所述偶聯(lián)劑為二甲氧基二甲基硅烷、經(jīng)過攪拌150分鐘，表面修飾后得到包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體。
固態(tài)硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：將包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體進(jìn)行微波真空干燥，干燥釜內(nèi)氮?dú)廒s氧至氧含量小于3％，負(fù)壓0.08mpa，95攝氏度，微波頻率控制在2450mhz±10mhz的范圍內(nèi)，55分鐘得到增韌的硅氣凝膠固態(tài)粉體。
產(chǎn)品經(jīng)檢測，平均孔徑26nm，比表面積為588㎡/g，松裝比重0.057g/cm3，超疏水，阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)0.021w/m·k，耐熱溫度880℃，耐壓強(qiáng)度0.118mpa。
實施例2
硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法為：
(1)制備硅源和溶劑的混合溶液
取摩數(shù)3.2水玻璃裝入反應(yīng)釜中，并用3倍質(zhì)量的去離子水進(jìn)行稀釋，200轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30分鐘，經(jīng)200目篩過濾，得到水玻璃溶液。
(2)溶膠
取10mol/l硝酸，加入鹽酸鋁鹽(鹽酸鋁鹽以氧化鋁計，氧化鋁與水玻璃溶液中氧化硅的摩爾比為2:100)、鹽酸鑭鹽(鹽酸鑭鹽以氧化鑭計，與氧化鋁的摩爾比為3:100)；混合均勻后，噴淋加入至步驟(1)得到的水玻璃溶液，噴淋的同時以1200轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，控制ph值到2.5為止，噴淋時間控制在100分鐘；得到溶膠。
(3)凝膠
將ph值10.5的氨水溶液，噴淋加入至步驟(2)所得溶膠，噴淋的同時以1200轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，直至ph值為4.5時停止噴淋，用時150分鐘，得到凝膠。
(4)老化
反應(yīng)釜以30轉(zhuǎn)/分的速度繼續(xù)攪拌5小時，控制反應(yīng)釜內(nèi)凝膠溫度為50攝氏度；
(5)溶劑置換
在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行攪拌的同時加入與老化的物料同體積的置換溶劑甲醇，以置換出剩余的水分。
(6)表面修飾
反應(yīng)釜中加入與老化的物料同體積的偶聯(lián)劑；所述偶聯(lián)劑為乙烯基三甲氧基硅烷，經(jīng)過攪拌100分鐘，表面修飾后得到包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體。
固態(tài)硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：將包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體進(jìn)行微波真空干燥，干燥釜內(nèi)氮?dú)廒s氧至氧含量小于2％，負(fù)壓0.09mpa，110攝氏度，微波頻率控制在2450mhz±10mhz的范圍內(nèi)，50分鐘，得到增韌的硅氣凝膠固態(tài)粉體。
產(chǎn)品經(jīng)檢測，平均孔徑28nm，比表面積為568㎡/g，松裝比重0.056g/cm3，超疏水，阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)0.0198w/m·k，耐熱溫度920℃，耐壓強(qiáng)度0.122mpa。
實施例3
硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法為：
(1)制備硅源和溶劑的混合溶液
取摩數(shù)4.0水玻璃裝入反應(yīng)釜中，并用3倍質(zhì)量的去離子水進(jìn)行稀釋，80轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30分鐘，經(jīng)200目篩過濾，得到水玻璃溶液。
(2)溶膠
取15mol/l硝酸，加入草酸鋁鹽(以氧化鋁計，與水玻璃溶液中氧化硅的摩爾比為3:100)、草酸鑭鹽(以氧化鑭計，與氧化鋁的摩爾比為6:100)；混合均勻后，噴淋加入至步驟(1)得到的水玻璃溶液，噴淋的同時以1800轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，控制ph值到2.5為止，噴淋時間控制在100分鐘；得到溶膠。
(3)凝膠
將ph值11.5的氫氧化鈉溶液，噴淋加入至步驟(2)所得溶膠，噴淋的同時以1200轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，直至ph值為5.5時停止噴淋，用時80分鐘，得到凝膠。
(4)老化
反應(yīng)釜以50轉(zhuǎn)/分的速度繼續(xù)攪拌5小時，控制反應(yīng)釜內(nèi)凝膠溫度為35攝氏度；
(5)溶劑置換
在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行攪拌的同時加入與老化的物料同體積的置換溶劑丙酮，以置換出剩余的水分。
(6)表面修飾
反應(yīng)釜中加入與老化的物料同體積的偶聯(lián)劑；所述偶聯(lián)劑為六甲基二硅氮烷、雙(三甲硅基)乙酰胺、甲氧基三甲基硅烷重量各占三分之一的混合物，經(jīng)過攪拌180分鐘，表面修飾后得到包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體。
固態(tài)硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：將包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體進(jìn)行微波真空干燥，干燥釜內(nèi)氮?dú)廒s氧至氧含量小于1％，負(fù)壓0.12mpa，80攝氏度，微波頻率控制在2450mhz±10mhz的范圍內(nèi)，60分鐘，得到增韌的硅氣凝膠固態(tài)粉體。
產(chǎn)品經(jīng)檢測，平均孔徑27nm，比表面積為575㎡/g，松裝比重0.058g/cm3，超疏水，阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)0.0202w/m·k，耐熱溫度725℃，耐壓強(qiáng)度0.125mpa。
實施例4
硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法為：
(1)制備硅源和溶劑的混合溶液
取摩數(shù)3.5水玻璃裝入反應(yīng)釜中，并用2.5倍質(zhì)量的去離子水進(jìn)行稀釋，120轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30分鐘，經(jīng)200目篩過濾，得到水玻璃溶液。
(2)溶膠
取6mol/l硝酸，加入硝酸鋯鹽(以氧化鋯計，與水玻璃溶液中氧化硅的摩爾比為4:100)、硝酸鈰鹽(以氧化鈰計，與氧化鋯的摩爾比為4:100)；混合均勻后，噴淋加入至步驟(1)得到的水玻璃溶液，噴淋的同時以2000轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，控制ph值到5為止，噴淋時間控制在120分鐘；得到溶膠。
(3)凝膠
將ph值10.5的氨水溶液，噴淋加入至步驟(2)所得溶膠，噴淋的同時以1300轉(zhuǎn)/分的速度進(jìn)行快速攪拌，直至ph值為4.5時停止噴淋，用時180分鐘，得到凝膠。
(4)老化
反應(yīng)釜以20轉(zhuǎn)/分的速度繼續(xù)攪拌8小時，控制反應(yīng)釜內(nèi)凝膠溫度為40攝氏度；
(5)溶劑置換
在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行攪拌的同時加入與老化的物料同體積的置換溶劑(丙酮、正己烷和庚烷，重量各占三分之一的混合物)，以置換出剩余的水分。
(6)表面修飾
反應(yīng)釜中加入與老化的物料同體積的偶聯(lián)劑；所述偶聯(lián)劑為苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基烷重量各占三分之一的混合物，經(jīng)過攪拌60分鐘，表面修飾后得到包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體。
固態(tài)硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：將包覆有置換溶劑和偶聯(lián)劑的硅氣凝膠前驅(qū)體進(jìn)行微波真空干燥，干燥釜內(nèi)氮?dú)廒s氧至氧含量小于3％，負(fù)壓0.10mpa，100攝氏度，微波頻率控制在2450mhz±10mhz的范圍內(nèi)，30分鐘，得到增韌的硅氣凝膠固態(tài)粉體。
產(chǎn)品經(jīng)檢測，平均孔徑24nm，比表面積為558㎡/g，松裝比重0.061g/cm3，超疏水，阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)0.0196w/m·k，耐熱溫度729℃，耐壓強(qiáng)度0.121mpa。
實施例5
納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒的制備方法為：
稀土硝酸鹽選擇為硝酸鈰，硅氣凝膠顆粒選用實施例1制備的硅氣凝膠顆粒；
(1)硅氣凝膠顆粒經(jīng)300目篩，浸泡于20°氨水(液氨含量為20％，純水含量為80％)中30h，稱為料a備用，將硝酸鈰以1：1重量比溶于去離子水中，過濾后備用稱為料b；
(2)將硫酸鈦重量比25kg(20％氧化物計)與去離子水500kg的混合溶液，邊攪拌邊加熱到75℃，保持恒溫，攪拌轉(zhuǎn)速控制在580轉(zhuǎn)/分鐘的同時開啟超聲振動，超聲振動的頻率f為35khz，功率密度p為0.3w/cm2，在60分鐘內(nèi)勻速加入硅氣凝膠(料a)4.3kg，加完后反應(yīng)30min；步驟(2)中超聲振動的頻率為27khz，功率密度為0.6w/cm；
(3)加入適量氨水(濃度為20％)將體系的ph值調(diào)節(jié)至8.3，然后以40轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度攪拌，攪拌的同時開啟超聲振動；反應(yīng)60分鐘，得到漿料c；步驟(3)中超聲振動的頻率為32khz，功率密度為0.4w/cm；
(4)將漿料c過濾、洗滌，使?jié){料c的ph值為7.5，過濾物料使固含量為42％；加入325kg去離子水，同時加入0.23kg的料b，攪拌轉(zhuǎn)速控制在600轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌升溫至75℃時，滴加氨水調(diào)ph值7.3，加入雙氧水23ml，攪拌反應(yīng)30分鐘；洗滌、過濾后，物料固含量為45％，得到漿料d；
(5)將漿料d進(jìn)行噴霧干燥，干燥進(jìn)口溫度260℃，出口溫度105℃。然后進(jìn)入管式振蕩爐，爐內(nèi)加熱溫度設(shè)到500℃，使包覆在氣凝膠表面的氫氧化鈦/鈰轉(zhuǎn)換成納米級銳鈦型氧化鈦/鈰，其中，步驟(5)中所用噴霧干燥進(jìn)口溫度230℃，出口溫度110℃；管式振蕩燒結(jié)爐的傾斜角度為7℃，震動頻率為330次/分鐘；最終得到納米氧化鈦/鈰固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒。
實施例6
納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒的制備方法為：
稀土硝酸鹽選擇為硝酸鑭，硅氣凝膠顆粒選用實施例2制備的硅氣凝膠顆粒；
(1)硅氣凝膠顆粒經(jīng)300目篩，浸泡于20°氨水中36h，稱為料a備用，將硝酸鑭以1：1重量比溶于去離子水中，過濾后備用稱為料b；
(2)將硫酸鈦重量比28kg(硫酸鈦中的二氧化鈦含量為20％)與去離子水500kg的混合溶液，邊攪拌邊加熱到78℃，保持恒溫，攪拌轉(zhuǎn)速控制在680轉(zhuǎn)/分鐘的同時開啟超聲振動，超聲振動的頻率f為35khz，功率密度p為0.3w/cm2，在68分鐘內(nèi)勻速加入硅氣凝膠(料a)4.3kg，加完后反應(yīng)20min；步驟(2)中超聲振動的頻率為25khz，功率密度為0.5w/cm；
(3)加入適量氨水(濃度為20％)將體系的ph值為調(diào)節(jié)至8.5，然后以50轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度攪拌，攪拌的同時開啟超聲振動；反應(yīng)70分鐘，得到漿料c；步驟(3)中超聲振動的頻率為28khz，功率密度為0.6w/cm；
(4)將漿料c過濾、洗滌，使?jié){料c的ph值為7.8，過濾物料固含量45％后；加入300kg去離子水，同時加入0.25kg的料b，攪拌轉(zhuǎn)速控制在700轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌升溫至78℃時，噴加氨水調(diào)ph值7.5，加入雙氧水25ml，攪拌反應(yīng)30分鐘；洗滌、過濾、物料固含量42％，得到漿料d；
(5)將漿料d進(jìn)行噴霧干燥，干燥進(jìn)口溫度280℃，出口溫度110℃。然后進(jìn)入管式振蕩爐，爐內(nèi)加熱溫度設(shè)到480℃，使包覆在氣凝膠表面的氫氧化鈦/鑭轉(zhuǎn)換成納米級銳鈦型氧化鈦/鑭，其中，步驟(5)中所用噴霧干燥進(jìn)口溫度280℃，出口溫度110℃；管式振蕩燒結(jié)爐的傾斜角度為7℃，震動頻率為360次/分鐘；最終得到納米氧化鈦/鑭固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒。
實施例7
納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒的制備方法為：
稀土硝酸鹽選擇硝酸釹，硅氣凝膠顆粒選用實施例3制備的硅氣凝膠顆粒；
(1)硅氣凝膠顆粒經(jīng)300目篩，浸泡于20°氨水中40h，稱為料a備用，將硝酸鑭以1：1重量比溶于去離子水中，過濾后備用稱為料b；
(2)將硫酸鈦30kg(20％氧化物計)與去離子水500kg的混合溶液，邊攪拌邊加熱到82℃，保持恒溫，攪拌轉(zhuǎn)速控制在720轉(zhuǎn)/分鐘的同時開啟超聲振動，超聲振動的頻率f為35khz，功率密度p為0.3w/cm2，在73分鐘內(nèi)勻速加入硅氣凝膠(料a)4.8kg，加完后反應(yīng)10min；步驟(2)中超聲振動的頻率為35khz，功率密度為0.8w/cm；
(3)加入適量氨水(濃度為20％)將體系的ph值為調(diào)節(jié)至8.8，然后以60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度攪拌，攪拌的同時開啟超聲振動；反應(yīng)65分鐘，得到漿料c；步驟(3)中超聲振動的頻率為35khz，功率密度為0.8w/cm；
(4)將漿料c過濾、洗滌，使?jié){料c的ph值為8.0，過濾物料固含量46％后；加入300kg去離子水，同時加入料b，0.28kg，攪拌轉(zhuǎn)速控制在700轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌升溫至78℃時，噴加氨水調(diào)ph值7.5，加入雙氧水26ml，攪拌反應(yīng)30分鐘；洗滌、過濾、物料固含量45％，得到漿料d；
(5)將漿料d進(jìn)行噴霧干燥，干燥進(jìn)口溫度290℃，出口溫度110℃。然后進(jìn)入管式振蕩爐，爐內(nèi)加熱溫度設(shè)到550℃，使包覆在氣凝膠表面的氫氧化鈦/鑭轉(zhuǎn)換成納米級銳鈦型氧化鈦/鑭，其中，步驟(5)中所用噴霧干燥進(jìn)口溫度300℃，出口溫度120℃；管式振蕩燒結(jié)爐的傾斜角度為8℃，震動頻率為380次/分鐘；最終得到納米氧化鈦/鑭固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒。
實施例8
納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒的制備方法為：
稀土硝酸鹽選擇為硝酸鑭，硅氣凝膠顆粒選用實施例4制備的硅氣凝膠顆粒；
(1)將硅氣凝膠顆粒經(jīng)300目篩，浸泡于20℃氨水中33h，得到料a；將稀土硝酸鹽以1:1重量比溶于去離子水中，過濾后得到料b；
(2)以硫酸鈦轉(zhuǎn)化為氧化鈦的重量比計為5％，將所需的硫酸鈦與重量比計為95％的去離子水進(jìn)行混合制成溶液；對溶液進(jìn)行持續(xù)攪拌并加熱到85℃，保持恒溫，在80分鐘內(nèi)勻速加入步驟(1)制取的料a，攪拌轉(zhuǎn)速控制在750轉(zhuǎn)/分鐘的同時開啟超聲振動，加入料a的量是由硅氣凝膠的重量決定，硅氣凝膠的重量是以硫酸鈦轉(zhuǎn)化為氧化鈦的重量的0.46倍；步驟(2)中超聲振動的頻率為20khz，功率密度為0.3w/cm；
(3)繼續(xù)加入適量氨水將ph值為調(diào)節(jié)至9.0，然后以50轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度繼續(xù)攪拌，攪拌的同時開啟超聲振動；反應(yīng)80分鐘，得到漿料c；步驟(3)中超聲振動的頻率為20khz，功率密度為0.3w/cm；
(4)將漿料c過濾、洗滌，控制漿料c的ph值為7.5，同時使過濾、洗滌后的漿料c的固含量>40％；然后，加入其2倍的去離子水，同時加入料b，其中，料b中稀土硝酸鹽以氧化物計的重量是氧化鈦重量的5％，攪拌轉(zhuǎn)速控制在700轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌升溫至85℃時，滴加氨水調(diào)ph值為7.3，加入雙氧水，雙氧水的加入量為料b中稀土硝酸鹽以氧化物計的重量的10％，攪拌反應(yīng)30分鐘；洗滌、過濾后至物料固含量>40％時，收集并得到漿料d；
(5)將漿料d進(jìn)行噴霧干燥，干燥后進(jìn)入管式振蕩燒結(jié)爐，管式振蕩燒結(jié)爐內(nèi)的加熱溫度為550℃，使包覆在硅氣凝膠表面的氫氧化鈦與稀土氫氧化物轉(zhuǎn)換成納米級銳鈦型氧化鈦與稀土氧化物固溶體，其中，步驟(5)中所用噴霧干燥進(jìn)口溫度200℃，出口溫度100℃；管式振蕩燒結(jié)爐的傾斜角度為5℃，震動頻率為300次/分鐘；最終得到納米氧化鈦與稀土氧化物固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒。
實施例5-8中，硅氣凝膠顆粒購自紹興市納諾高科有限公司，其比表面積達(dá)600m2/g，而常用載體硅藻土的比表面積為60m2/g；經(jīng)過委托第三方(sgs公司)測定，實施例5-8所得納米氧化鈦/稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒平均粒徑小于30nm(20萬倍電子顯微鏡)，93％以上為銳鈦型(金相顯微鏡)，平均比表面積＞250m2/g，平均光催化性能＞95％。
由此可見，本發(fā)明制備的納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠顆粒具有更高的比表面積，吸附能力更強(qiáng)，使其催化性能更高。
實施例9-16
用于污水處理的光催化劑的制備方法，包括以下步驟：
(1)取納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體放入砂磨機(jī)中研磨；步驟(1)中，所述砂磨機(jī)的磨球為直徑為0.8-2mm的鋯球；
(2)用重量法制備粘結(jié)劑：
①取鈉水玻璃10～60重量份、鉀水玻璃10～60重量份、5～30重量份的膨潤土和去離子水30～90重量份混合后攪拌均勻；
②加入有機(jī)有機(jī)硅改性丙烯酸乳液1～15重量份；
③加入硅溶膠5～40重量份，攪拌均勻；
④加入磷酸鋁1～15重量份，攪拌均勻，調(diào)ph值到7-8；
⑤再加入偶合劑1～10重量份、成膜助劑1～15重量份、流平劑1-8重量份和成膜劑1-8重量份后，攪拌均勻，然后用高速分散砂磨機(jī)砂磨，制備出分散均勻的粘結(jié)劑；
(3)將研磨后的納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體加入粘結(jié)劑中攪拌均勻后加水混合，納米氧化鈦與稀土固溶體復(fù)合的硅氣凝膠粉體、粘結(jié)劑和加入的水的重量份數(shù)比為6-8:0.4-3:100-110，制得混合漿料，放入裝有空氣攪拌的浸漬池中；浸漬池中空氣攪拌的方法為：裝有混合漿料的浸漬池底部設(shè)有盤管，盤管頂部開有0.2-1mm的小孔，用2-6公斤的壓縮空氣向盤管內(nèi)充氣，實現(xiàn)空氣攪拌，在步驟(3)實施的過程中空氣攪拌是不能停頓的；然后再將微孔陶瓷載體浸漬在上述混合漿料中；取出微孔陶瓷載體并用風(fēng)刀吹出多余漿料后，風(fēng)刀次數(shù)為2次；高溫?zé)Y(jié)時，在隧道室內(nèi)先用5h升溫到500℃，保溫1h后自由降溫，降溫后置于濃度為1wt％的稀酸溶液中浸泡12-36h后取出，測浸泡水的ph值為7-7.5，取出。清洗烘干；稀酸溶液為稀硝酸溶液、稀鹽酸溶液或稀硫酸溶液，制得上述用于污水處理的光催化劑。
實施例9-16制備用于污水處理的光催化劑采用的工藝條件如表1所示。
表1實施例9～16用于污水處理的光催化劑采用的工藝條件
經(jīng)過上述工藝條件制備的用于污水處理的光催化劑的組分明細(xì)如表2所示。
表2實施例9～16用于污水處理的光催化劑的組分明細(xì)
實施例9～16中用于污水處理的光催化劑的粘結(jié)劑的組分明細(xì)如表3所示。
表3實施例9～16中粘結(jié)劑中各組分的用量明細(xì)表
其中，粘結(jié)劑中的流平劑為聚醚硅氧烷流平劑；
粘結(jié)劑中的成膜助劑為乙二醇、丙二醇、十二碳醇酯(醇脂12)或乙二醇丁醚醋酸酯(乙二醇丁醚)；
粘結(jié)劑中的偶聯(lián)劑a為kh560、kh550中的一種或兩種；
粘結(jié)劑中的成膜劑選自醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯聚合乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液或聚苯乙烯改性乳液。
表4實施例9～16中采用的偶連劑a、硅溶膠、有機(jī)硅改性丙烯酸乳液、流平劑和成膜劑的參數(shù)明細(xì)表
二、性能檢測
1、光催化效果測定
(1)用1cm比色皿，以空白溶液為參比，測量不同濃度的亞甲基藍(lán)溶液的吸光度。以吸光度對濃度作圖繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
(2)光降解實驗
①檢查光照系統(tǒng)，定溫在20℃。
②將待降解的亞甲基藍(lán)溶液置于1000ml燒杯中(濃度為200ppm)。此溶液即為模擬的含亞甲基藍(lán)天然水樣。
③將裝有模擬亞甲基藍(lán)水樣的燒杯置于恒溫槽中，在汞燈(400w)照射下進(jìn)行實驗。每隔10min取一次樣，每次取5.0ml，共取4次樣(即分別在t＝0、10、20、30min時取樣)。分別置于有編號的25ml容量瓶中，按照與步驟1相同的方法測定吸光度。
④另取5.0ml待降解液，在t＝10、30min時取樣，顯色，定容，比色，測定吸光度。
(3)由標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得不同時間光降解溶液中苯酚所對應(yīng)的濃度值，繪制ln-t
關(guān)系曲線，求得光催化降解速率。
2、穩(wěn)定性測試：采用本發(fā)明制備的光催化劑室外1個月后再次測試其光催化劑效果，判斷光催化效果的穩(wěn)定性，每組測試的樣品的數(shù)目為10個，計算1個月后的光催化劑效果(光催化降解速率)仍維持在初始催化效果的95％的光催化劑占得比例，以此來衡量光催化效果的穩(wěn)定性。
3、使用壽命測試
測試3年后的催化劑的催化效果，若催化劑3年后的催化劑的催化效果仍維持在初始催化效果的50％，則認(rèn)為此光催化劑的使用壽命＞3年。
4、透光率測試
采用分光光度計測試催化劑固體粉末的透光率。
5、孔隙率和比表面積測試
采用bet測試法，測試催化劑固體粉末的孔隙率和比表面積測試
5、重量損失率
本發(fā)明的光催化劑耐水性好，用時沖擊1h后，測量重量損失率。
本發(fā)明實施例9-16所對應(yīng)的催化劑的性能檢測結(jié)果如表5所示。
表5實施例9-16所對應(yīng)的催化劑的性能檢測結(jié)果
可以看出本發(fā)明的用于污水處理的光催化劑的光催化效果：光催化降解速率≥90.8g/30min，穩(wěn)定性≥99.84％，使用壽命≥3年，透光率≥90％，孔隙率≥75％，比表面積≥500m2/g。本發(fā)明的光催化劑耐水性好，用時沖擊1h后，測量重量損失率為1-1.2％。
本發(fā)明將納米氧化鈦附著在硅氣凝膠微孔的比表面上，使硅氣凝膠不僅具有吸附捕捉水中的有機(jī)污染物cod的功能，而且能夠依靠負(fù)載于其表面的銳鈦型氧化鈦的光催化作用，分解被吸附捕捉水中的有機(jī)污染物cod；在無光時吸附，有光時催化分解釋放被轉(zhuǎn)化的無害氣體及水份；即硅氣凝膠具有納米級的微孔結(jié)構(gòu)，在污染空氣與納米級氧化鈦進(jìn)行接觸之前對污染物進(jìn)行了一個前期的篩選，使水中的有機(jī)污染物cod與納米級進(jìn)入硅氣凝膠的微孔與氧化鈦發(fā)生催化反應(yīng)，避免了氧化鈦長期暴露在污染中發(fā)生“中毒”而導(dǎo)致失效的情況發(fā)生；本發(fā)明將硅氣凝膠的納米級微孔結(jié)構(gòu)的前期篩選功能和納米級銳鈦型氧化鈦的光催化功能的優(yōu)點(diǎn)集于一身，實現(xiàn)了該材料催化功能的長效化和強(qiáng)效化。