CN110183204A - 一种负载纳米二氧化钛的透水砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种负载纳米二氧化钛的透水砖及其制备方法,该制备方法包括以下步骤:S1、制备以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体;S2、制备二氧化钛前驱体,并配置得到二氧化钛前驱体悬浊液;S3、采用多次浸渍的方法将所述二氧化钛前驱体悬浊液浸渍到所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌纳米二氧化钛;S4、干燥后煅烧所述透水砖基体,制得负载纳米二氧化钛的透水砖。本发明的透水砖的制备方法,将纳米二氧化钛负载于以河道疏浚底泥为主原料的透水砖的表面孔隙中,提高了二氧化钛的利用效率,二氧化钛用量少而节约成本,且负载牢固,透水砖获得良好清洁性能的同时还有助于延长透水砖的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程与技术领域,涉及一种环保透水砖及其制备方法,尤其是一种具有自清洁功能的透水砖及其制备方法。
背景技术
我国黑臭水体的清淤工程带来了大量疏浚底泥的处置需求。黑臭底泥不仅含水率高而且污染严重,直接堆放或填埋既占用大量土地,也留下了二次污染的隐患。利用疏浚底泥制备透水砖不仅能够实现废物资源化,减少对环境的危害,还能作为城市透水铺装使用,一定程度上缓解城市内涝问题,因此日益成为研究者探索的热点。
在目前的研究中,人们主要关注的是如何提高其抗压强度和透水性能,但是在实际使用中透水砖还会面临随着灰尘等的日益累积其透水性能逐渐下降的问题。虽然定期的清洗能够在一定程度上解决透水砖堵塞的问题,但费时费力。此外,还有一些粘附在砖面的像口香糖等污染物无法简单清扫工具清除,透水砖达到污染物吸附容量是将难以继续起到净化污水的作用。因此为解决这些问题,有研究报道将二氧化钛用于透水砖上,以期利用二氧化钛的光催化作用降解被透水砖孔隙吸附的污染物,增长透水砖的使用寿命。但目前对透水砖的原料以及制备方式、对二氧化钛的负载方法均有一些不足,制约了透水砖的催化功能,不利于延长透水砖的使用寿命,并且现有方法对二氧化钛的利用率低。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足,提供一种负载光催化剂的自清洁式透水砖及其制备方法,提高二氧化钛利用率的同时,提高透水砖的产品性能,延长其使用寿命。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种负载纳米二氧化钛的透水砖的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体;
S2、制备二氧化钛前驱体,并配置得到二氧化钛前驱体悬浊液;
S3、采用多次浸渍的方法将所述二氧化钛前驱体悬浊液浸渍到所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌纳米二氧化钛;
S4、干燥后煅烧所述透水砖基体,制得负载纳米二氧化钛的透水砖。
进一步地:
步骤S1中,所述透水砖基体以河道疏浚底泥为主原料,经干燥粉碎后,添加秸秆渣、粘结剂后制得,按质量百分比为:河道疏浚底泥75-85%,秸秆渣0.2-0.4%,粘结剂25-15%,优选地,所述粘结剂为水玻璃。
步骤S1具体包括以下步骤:
S11.以河道疏浚底泥为原料,经脱水干燥粉碎后,将河道疏浚底泥、秸秆渣、粘结剂按质量比例75-85:0.2-0.4:25-15混合,加水使含水率为30%左右,搅拌均匀并捶打均质化,经陈化后,用制砖模具加压压制成型;
S12.自然条件下干燥24-48小时后,烘干,使含水率下降至1-5%;
S13.经高温烧结后,冷却制得所述透水砖基体。
步骤S13的高温烧结程序包括:室温至500℃,升温速率为6℃/min,保温1h;500℃至950℃,升温速率为2℃/min,保温1h;950℃至最终烧结温度,升温速率为1℃/min;烧制完成后自然冷却。
所述纳米二氧化钛以锐钛矿型二氧化钛为主,具体是锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛的混合体。
步骤S2中,采用溶胶-凝胶法制备所述二氧化钛前驱体,具体为通过使用钛酸四丁酯并控制钛酸四丁酯在乙醇中均匀的水解,制得均相的二氧化钛前驱体凝胶。
步骤S2具体包括以下步骤:
S21.将预定量的无水乙醇分为3份,取其中的2份无水乙醇和钛酸四丁酯按体积比2:1组成混合溶液,持续搅拌30-60min,直到得到淡黄色透明溶液,之后加入少量的冰醋酸,继续搅拌得到溶液A;取另外1份无水乙醇和纯水按体积比20:9组成混合溶液,并用盐酸调节pH至2-3,得到溶液B;
S22.在搅拌条件下,缓慢地将溶液A滴入溶液B中,优选每秒钟1-2滴,滴加完毕后继续搅拌30min以上,静置后得到半透明的淡黄色凝胶,陈化;凝胶干燥后得到淡黄色晶体,即为二氧化钛前驱体;
S23.对晶体的二氧化钛前驱体球磨,优选研磨30min,得到前驱体粉末与水混合搅拌,形成悬浊液。
步骤S3包括:将所述透水砖基体的使用面浸到适量纳米二氧化钛前驱体悬浊液中,待所述透水砖基体充分吸附纳米二氧化钛前驱体悬浊液后取出干燥,继续重复浸渍过程,直至达到预期吸附容量,优选地,在浸渍前搅拌纳米二氧化钛前驱体溶液并超声处理,使纳米二氧化钛前驱体充分分散。
步骤S4中,干燥处理后将透水砖基体在450℃下煅烧120min,使纳米二氧化钛前驱体脱水转化为锐钛矿型二氧化钛并牢固负载在透水砖孔隙中。
一种负载纳米二氧化钛的透水砖,包括以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体和负载在所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌的纳米二氧化钛;优选地,是使用所述的制备方法制备的透水砖。
本发明具有如下有益效果:
本发明的透水砖的制备方法,实现将纳米二氧化钛负载于以河道疏浚底泥为主原料的透水砖的表面孔隙中,提高了二氧化钛的利用效率,二氧化钛用量少而节约成本,且负载牢固,透水砖获得良好清洁性能的同时还有助于延长透水砖的使用寿命。在优选实施例中,钛醇盐在酸性条件下缓慢水解生成氢氧化钛及其水合物,然后在煅烧过程发生脱水并发生晶型转变生成具有高催化活性的锐钛矿型纳米二氧化钛,并同时牢固镶嵌在透水砖的孔隙中。
本发明制备的透水砖,纳米二氧化钛仅负载于透水砖基体的使用面上,用量少而且也避免了二氧化钛分布不均或被包覆而影响二氧化钛的催化性能,同时,透水砖的光催化降解功能不但能有效削减透过砖体渗入地下的雨水径流污染负荷,还可以在一定程度上防止砖体孔隙被堵塞,有助于延长砖体的使用寿命。本发明制备的负载纳米二氧化钛的透水砖能通过二氧化钛催化降解透过砖体的污染物及一些附着于砖体表面的污染物,自清洁性能好,有效增加了透水砖基体的使用寿命。本发明负载纳米二氧化钛的透水砖的制备方法还能够实现对河道疏浚底泥的资源化利用,解决了河道疏浚底泥的处置难题,缓解了建材制造与粘土资源保护的矛盾,对加快海绵城市建设有着重要的作用。
附图说明
图1为本发明实施例中所制二氧化钛的XRD图。
图2为本发明实施例中二氧化钛的负载方法示意图。
图3为本发明实施例中所制透水砖基体的XRD图。
图4(a)和图4(b)分别为本发明实施例所制负载纳米二氧化钛的透水砖的放大5000倍和10000倍的断面SEM图。
图5(a)和图5(b)分别为本发明实施例所制负载纳米二氧化钛的透水砖试样的断面表面EDS能谱图和断面表面元素分布示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
在一种实施例中,一种负载纳米二氧化钛的透水砖的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体;
S2、制备二氧化钛前驱体,并配置得到二氧化钛前驱体悬浊液;
S3、采用多次浸渍的方法将所述二氧化钛前驱体悬浊液浸渍到所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌纳米二氧化钛,如图2所示;
S4、干燥后煅烧所述透水砖基体,制得负载纳米二氧化钛的透水砖。
在优选的实施例中,步骤S1中,所述透水砖基体以河道疏浚底泥为主原料,经干燥粉碎后,添加秸秆渣、粘结剂后制得,按质量百分比为:河道疏浚底泥75-85%,秸秆渣0.2-0.4%,粘结剂25-15%,优选地,所述粘结剂为水玻璃。较佳地,农业废弃水稻秸秆渣为成孔剂,添加水玻璃为粘结剂。
在优选的实施例中,步骤S1具体包括以下步骤:
S11.以城市河道疏浚黑臭底泥为原料,经脱水干燥粉碎后,将河道疏浚底泥、秸秆渣、粘结剂按质量比例75-85:0.2-0.4:25-15混合,加水使含水率为30%左右,搅拌均匀并捶打均质化,陈化24h,用制砖模具加压压制成型;
S12.自然条件下干燥24-48小时后,烘干,使含水率下降至1-5%;
S13.经马弗炉高温烧结后,冷却制得所述透水砖基体。
在优选的实施例中,步骤S13的高温烧结程序包括:室温至500℃,升温速率为6℃/min,保温1h;500℃至950℃,升温速率为2℃/min,保温1h;950℃至最终烧结温度,升温速率为1℃/min;烧制完成后自然冷却。
在优选的实施例中,所述纳米二氧化钛以锐钛矿型二氧化钛为主,具体是锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛的混合体。
在优选的实施例中,步骤S2中,采用溶胶-凝胶法制备所述二氧化钛前驱体,具体为通过使用钛酸四丁酯并控制钛酸四丁酯在乙醇中均匀的水解,制得均相的二氧化钛前驱体凝胶。
在优选的实施例中,步骤S2具体包括以下步骤:
S21.将预定量的无水乙醇分为3份,取其中的2份无水乙醇和钛酸四丁酯按体积比2:1组成混合溶液,持续搅拌30-60min,直到得到淡黄色透明溶液,之后加入少量的冰醋酸,继续搅拌得到溶液A;取另外1份无水乙醇和纯水按体积比20:9组成混合溶液,并用盐酸调节pH至2-3,得到溶液B;其中钛酸四丁酯水解抑制剂为冰醋酸和盐酸;其中溶液A的搅拌持续30min以上,保证钛酸四丁酯在乙醇溶液中充分分散;溶液A的配置避免接触超纯水,器皿充分烘干并在通风橱中操作;
S22.在搅拌条件下,缓慢地将溶液A滴入溶液B中,每秒钟1-2滴,滴加完毕后继续搅拌30min左右,静置后得到半透明的淡黄色凝胶,陈化12h;凝胶在100℃下持续干燥,直至得到淡黄色晶体,即为二氧化钛前驱体;
S23.对晶体的二氧化钛前驱体球磨,球磨30min,将得到的前驱体粉末与水混合搅拌,形成悬浊液。研磨30min有利于形成纳米尺寸。
上述方法的反应原理为:Ti(OC4H9)4+4H2O=Ti(OH)4+4C4H9OH
Ti(OH)4=TiO2+2H2O
在优选的实施例中,步骤S3包括:将所述透水砖基体的使用面浸到适量纳米二氧化钛前驱体悬浊液中,待所述透水砖基体充分吸附纳米二氧化钛前驱体悬浊液后取出干燥,继续重复浸渍过程,直至达到预期吸附容量,优选地,在浸渍前搅拌纳米二氧化钛前驱体溶液并超声处理,使纳米二氧化钛前驱体充分分散。
在优选的实施例中,步骤S4中,干燥处理后将透水砖基体在450℃下煅烧120min,使纳米二氧化钛前驱体脱水转化为锐钛矿型二氧化钛并牢固负载在透水砖孔隙中。
所述制备负载纳米二氧化钛的透水砖的方法原理为:钛醇盐在酸性条件下缓慢水解生成氢氧化钛及其水合物,然后在煅烧过程发生脱水并发生晶型转变生成具有高催化活性的锐钛矿型纳米二氧化钛,并同时镶嵌在透水砖的孔隙中。
在另一些实施例中,一种负载纳米二氧化钛的透水砖,包括以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体和负载在所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌的纳米二氧化钛。
优选地,所述透水砖是使用前述任一实施例的制备方法制备的透水砖。
实例
1.透水砖基体的制备
本发明所述的透水砖基体以城市河道疏浚底泥为主原料,农业废弃水稻秸秆渣为成孔剂,另外添加水玻璃为粘结剂,其由质量百分比如下的原料组成:疏浚底泥,85%;秸秆渣,0.4%;粘结剂,15%。
按比例称取各种原料加水使含水率大致为30%左右,搅拌均匀并捶打均质化,陈化24h后,用制砖模具加压压制成型;自然条件下干燥24小时后,于105℃下烘干8h,使含水率下降至1-5%;经马弗炉高温烧结后,冷却制得所述透水砖基体。
本发明所述备负载纳米二氧化钛的透水砖的方法,其中所述透水砖基体的高温烧结程序为:室温至500℃,升温速率为6℃/min,保温1h;500℃至950℃,升温速率为2℃/min,保温1h;950℃至最终烧结温度,升温速率为1℃/min;烧制完成后自然冷却。
图3为本实施案例中透水砖基体的XRD图,从图中可以看出透水砖基体的主要矿物质成分为石英和钙长石,还含有一些钙酸盐、磷酸盐、铝酸盐等矿物质成分。
2.二氧化钛前驱体悬浊液的制备
a.量取30ml的无水乙醇。取其中的20ml无水乙醇和钛酸四丁酯按体积比2:1组成混合溶液,持续搅拌30-60min,直到得到淡黄色透明溶液,之后加入少量的冰醋酸(约3.5ml),继续搅拌得到溶液A;取剩余10ml无水乙醇加入4.5ml纯水,并用盐酸调节pH至2-3,得到溶液B;
b.在搅拌条件下,缓慢地将溶液A滴入溶液B中,滴加完毕后继续搅拌半小时左右,静置后得到半透明的淡黄色凝胶,陈化12h;凝胶在100℃下持续干燥,直至得到淡黄色晶体,即为TiO2前驱体。球磨30min后,将前驱体粉末与水混合搅拌形成悬浊液。
图1为TiO2前驱体单独在450℃下煅烧120min后的XRD图,从图中可以看出所形成的二氧化钛主要以锐钛矿型为主,掺杂有少量的金红石型。
3.纳米二氧化钛的负载
将透水砖基体浸渍到适量纳米二氧化钛前驱体悬浊液中,浸渍方法如图2所示。待透水砖充分吸附溶液后取出干燥,继续重复浸渍过程,直至达到预期吸附容量。干燥处理后将透水砖在450℃下煅烧120min,使纳米二氧化钛前驱体脱水转化为锐钛矿型二氧化钛并牢固负载在透水砖孔隙中。
图4(a)和图4(b)为所制负载二氧化钛透水砖的碎块断面SEM图,从图中可以看到砖体内部存在一些细小颗粒物,结合图5(b)的断面能谱图,可以更清晰地看到在透水砖碎块的表面上较均匀的分布着Ti元素。据图5(a)计算在Ti元素在所示断面上的元素百分比为6.44%,说明二氧化钛有效地的镶嵌于透水砖表层的孔隙上。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种负载纳米二氧化钛的透水砖的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、制备以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体;
S2、制备二氧化钛前驱体,并配置得到二氧化钛前驱体悬浊液;
S3、采用多次浸渍的方法将所述二氧化钛前驱体悬浊液浸渍到所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌纳米二氧化钛;
S4、干燥后煅烧所述透水砖基体,制得负载纳米二氧化钛的透水砖。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述透水砖基体以河道疏浚底泥为主原料,经干燥粉碎后,添加秸秆渣、粘结剂后制得,按质量百分比为:河道疏浚底泥75-85%,秸秆渣0.2-0.4%,粘结剂25-15%,优选地,所述粘结剂为水玻璃。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤S1具体包括以下步骤:
S11.以河道疏浚底泥为原料,经脱水干燥粉碎后,将河道疏浚底泥、秸秆渣、粘结剂按质量比例75-85:0.2-0.4:25-15混合,加水使含水率为30%左右,搅拌均匀并捶打均质化,经陈化后,用制砖模具加压压制成型;
S12.自然条件下干燥24-48小时后,烘干,使含水率下降至1-5%;
S13.经高温烧结后,冷却制得所述透水砖基体。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤S13的高温烧结程序包括:室温至500℃,升温速率为6℃/min,保温1h;500℃至950℃,升温速率为2℃/min,保温1h;950℃至最终烧结温度,升温速率为1℃/min;烧制完成后自然冷却。
5.如权利要求1至4任一项所述的制备方法,其特征在于,所述纳米二氧化钛以锐钛矿型二氧化钛为主,具体是锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛的混合体。
6.如权利要求1至5任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤S2中,采用溶胶-凝胶法制备所述二氧化钛前驱体,具体为通过使用钛酸四丁酯并控制钛酸四丁酯在乙醇中均匀的水解,制得均相的二氧化钛前驱体凝胶。
7.如权利要求1至5任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤S2具体包括以下步骤:
S21.将预定量的无水乙醇分为3份,取其中的2份无水乙醇和钛酸四丁酯按体积比2:1组成混合溶液,持续搅拌30-60min,直到得到淡黄色透明溶液,之后加入少量的冰醋酸,继续搅拌得到溶液A;取另外1份无水乙醇和纯水按体积比20:9组成混合溶液,并用盐酸调节pH至2-3,得到溶液B;
S22.在搅拌条件下,缓慢地将溶液A滴入溶液B中,优选每秒钟1-2滴,滴加完毕后继续搅拌30min以上,静置后得到半透明的淡黄色凝胶,陈化;凝胶干燥后得到淡黄色晶体,即为二氧化钛前驱体;
S23.对晶体的二氧化钛前驱体球磨,优选研磨30min,得到前驱体粉末与水混合搅拌,形成悬浊液。
8.如权利要求1至7任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤S3包括:将所述透水砖基体的使用面浸到适量纳米二氧化钛前驱体悬浊液中,待所述透水砖基体充分吸附纳米二氧化钛前驱体悬浊液后取出干燥,继续重复浸渍过程,直至达到预期吸附容量,优选地,在浸渍前搅拌纳米二氧化钛前驱体溶液并超声处理,使纳米二氧化钛前驱体充分分散。
9.如权利要求1至8任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤S4中,干燥处理后将透水砖基体在450℃下煅烧120min,使纳米二氧化钛前驱体脱水转化为锐钛矿型二氧化钛并牢固负载在透水砖孔隙中。
10.一种负载纳米二氧化钛的透水砖,其特征在于,包括以河道疏浚底泥为主原料的透水砖基体和负载在所述透水砖基体的使用面上,在所述透水砖基体的孔隙中均匀镶嵌的纳米二氧化钛;优选地,所述透水砖是使用如权利要求1至9任一项所述的制备方法制备的透水砖。
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