主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
高效环保型凹凸棒土--BiOCl--TiO2复合光催化剂的制备及其性能研究
小类:
能源化工
简介:
(1)能源危机与环境问题凸现 (2)废水处理现状 获得性能高效、在可见光范围内具有响应性能的光催化剂;光催化剂的固定、回收问题。光催化技术及特点:环境友好、低能耗、易操作、无二次污染、可以将有机物直接转化为CO2和水。
详细介绍:
凹凸棒石粘土是指以凹凸棒石(attapulgite )为主要组分的一种粘土矿物。凹凸棒石为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物,具有独特的层链状结构特征,在其结构中存在晶格置换,晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+,晶体呈针状,纤维状或纤维集合状。凹凸棒石具有独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力 。 凹凸棒土原土性能可归纳为胶体性能、吸附性能、补强性能、载体性能,在各行各业中被广泛使用。前人对凹凸棒石粘土已经进行了一些研究,例如凹凸棒石粘土制药的临床试验、凹凸棒石吸附黄曲霉素等有害物质研究、凹凸棒石粘土- 橡胶复合材料造浆研究等。 光催化剂的实用化研究一直受到人们的广泛重视,目前的研究热点主要集中在探索新型光催化材料,本课题将凹凸棒土的高吸附特性和光催化技术结合起来,将活性光催化剂负载在凹凸棒土表面,由于凹凸棒土的载体作用,可以解决光催化剂的固定化问题;将BiOCl、TiO2两种不同能级的半导体光催化剂耦合,明显提高了催化剂的光催化性能;同时,由于凹凸棒土的特殊棒晶状结构,使光催化剂易于沉降、分离,重复利用,解决了催化剂的重复利用问题,具有突出的优点和特点。

作品专业信息

撰写目的和基本思路

针对环境资源中有机污染物难以深度降解的突出问题,同时考虑一般光催化剂吸附性差、易团聚、难以回收、重复利用等问题,本文将以丰富的矿产资源——凹凸棒黏土为吸附剂和催化剂载体,通过溶胶-凝胶工艺,设计高效可见光催化剂的组成,并将其有效固载在凹土表面。这样,既可以实现对有机污染物的深度降解,又可以降低光催化剂的合成成本,解决其固定、回收问题,使光催化技术的工业化应用成为可能。

科学性、先进性及独特之处

本课题将凹凸棒土的高吸附特性和光催化技术结合起来,将活性光催化剂负载在凹凸棒土表面,由于凹凸棒土的载体作用,可以解决光催化剂的固定化问题;将BiOCl、TiO2两种不同能级的半导体光催化剂耦合,明显提高了催化剂的光催化性能;同时,由于凹凸棒土的特殊棒晶状结构,使光催化剂易于沉降、分离,重复利用,解决了催化剂的重复利用问题,具有突出的优点和特点。

应用价值和现实意义

1)产品合成工艺简单,易于工业化。凹凸棒土经过简单纯化后直接用于材料的制备过程,无需活化或表面改性,大大简化了合成工艺。 2)成本低,无污染。由于本产品采用了地方丰富的矿产资源——凹凸棒土为载体,而且表面负载的活性催化剂原料多为常见的无机盐,极大地减少了用料投入,成本明显降低。 3)产品的稳定性高。对有机染料的降解去除率达90%以上,重复使用4次后仍然就有很高的光催化性能。

学术论文摘要

以凹凸棒黏土为基体,通过原位溶胶-凝胶工艺,将一系列不同比例的BiOCl -TiO2(r = nBi/(nBi + nTi) = 1, 1/2, 1/3, 1/4,1/5, 1/6, 0)复合氧化物负载于凹凸棒黏土表面,制备凹凸棒黏土复合型光催化剂(Att-BiOCl-TiO2)。研究结果表明,BiOCl-TiO2复合氧化物均匀地负载于凹凸棒黏土表面;经过复合氧化物负载改性后,凹凸棒黏土的表面形貌得到明显改善,产物的负载效果好、比表面大。以光催化降解甲基橙为探针,研究了凹凸棒黏土复合光催化的光催化性能。结果表明,凹凸棒黏土复合光催化显示出优异的光催化性能,其光催化活性顺序为Att-BiOCl-TiO2 > Att-BiOCl > Att-TiO2>Att;而且r=nBi/(nBi + nTi)比例对凹土复合光催化剂的性能有明显的影响:当r=nBi/(nBi + nTi)=1/4时,Att-BiOCl-TiO2显示出与P25接近的优异光催化性能,40min内对100mg/L甲基橙的降解率达98.6%。实验证实Att-BiOCl-TiO2复合光催化剂可重复利用。

获奖情况

2009年淮阴师范学院科技文化周大学生论文评选中荣获一等奖

鉴定结果

该论文以凹凸棒土为基体,通过溶胶-凝胶工艺将不同能级的半导体光催化剂有效负载于凹凸棒黏土表面,研究改性凹土对染料废水的吸附性能和光催化性能。该工艺简单、投资少,有较强的理论价值和利用价值。

参考文献

[1] P. Liu, T. M. Wang, Adsorption properties of hyperbranched aliphatic polyester grafted attapulgite towards heavy metal ions J. Hazard. Mater. 2007, 149: 75–79 [2] X. L. Guo, Y. D. Yao, G. F. Yin, et al, Preparation of decolorizing ceramsites for printing and dyeing wastewater with acid and base treated clay. Appl. Clay Sci. 2008, 40: 20–26 [3]海青,周杰. 凹凸棒石粘土的开发利用现状及发展趋势[J].矿产保护与利用,2004,8(4):14-17 [4] 马玉恒,方卫民,马小杰.凹凸棒土研究与应用进展[J].材料导报,2006,20(9):45 [5] 杨利营,盛 京.凹凸棒粘土的研究开发与应用[J].江苏化工,2001,29(6):33-37 [6]P. Saritha, C. Aparna, V. Himabindu,et al. Comparison of various advanced oxidation processes for the degradation of 4-chloro-2 nitrophenol. J. Hazard. Mater. 2007,149: 609–614

同类课题研究水平概述

光催化剂的实用化研究一直受到人们的广泛重视,目前的研究热点主要集中在探索新型光催化材料,探索纳米结构与光生空穴-电荷的分离和迁移性能;探索光电协同催化作用,提高光生空穴-电荷的分离效率以及有机物降解活性研究;探索含共轭π键材料和光催化材料杂化作用,提高光催化活性、抑制光腐蚀,提高光催化剂对污染物的吸附以及拓展可见光活性等。最近关于光催化剂的固定化研究,也成为光催化领域的热点之一。将光催化剂固定在载体表面,能有效的防止纳米粒子团聚,增加光催化剂的比表面积及吸附性能,克服悬浮相光催化剂的缺点。光催化剂的载体,要有稳定性、高强度、低价格和大的比表面积。目前,已有许多以活性碳、硅藻土、蒙脱土等材料为载体,制备性能高效的光催化材料。 凹凸棒黏土,也是一种重要的催化剂、吸附剂载体,其价格低廉、比表面积大、化学稳定性好、吸附能力强,环境废水治理方面已有较多的应用研发,但基本上是基于凹土的吸附性能,主要是通过无机或有机的方法对凹土进行改性,增大凹土的比表面积或改变其表面的亲疏水性质,以实现其对有机污染物或重金属离子的吸附。但是,这一方法的最大问题在于它只吸附污染物料,不破坏其结构,不能实现对污染物的深度降解;同时,吸附量有限,难以实现现场再生。因此,如果能在充分发挥凹土的吸附性能的同时,又能实现对有机污染物的深度处理,这将是一个双赢的举措。已有研究表明,将凹土作为载体在其表面复合TiO2颗粒,用于染料废水处理,具有较好的降解性能。但由于TiO2的能隙较大,只能吸收紫外光,其降解率和降解的污染物有限,需要对其进行复合改性以改善其降解性能。本文采用软化学手段实现对催化剂组成和结构的设计、调控,获得多种微结构、高效的复合光催化剂;并且选用地方区域优势资源——凹凸棒黏土作为载体材料,将高效复合光催化剂有效负载在凹土表面,其资源丰富、成本低廉,相对其它光催化剂的合成原料具有明显的成本优势。
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