CN114192133A - 一种二氧化钛光催化原液、消解膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二氧化钛光催化原液、消解膜及其制备方法,按照质量百分比计算,二氧化钛光催化原液的制备原料包括:二氧化钛粉末0.1%‑10.0%,多孔吸附材料0.1%‑6.0%,分散剂0.1%‑10.0%,无机粘合剂1.0%‑20.0%,其余为水。该二氧化钛光催化原液通过添加无机粘合剂,达到增加光催化消解膜在常见表面的附着力的目的,使之不易受到机械摩擦损耗,从而延长光催化效用时间,并且,通过调控光催化原液中各组分相互作用,使得获得的光催化消解膜仍具有较强的光催化性能,且对施工表面的功能性也无明显影响。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料技术领域,具体涉及一种二氧化钛光催化原液、消解膜及其制备方法。
背景技术
1972年日本科学家Honda与Fujishima发现辅以金属铂的二氧化钛纳米材料在紫外光照射下,可以将H2O完全分解为H2和O2。此重要发现开辟了光催化这一全新的研究领域。特别是近年来,大量研究证明二氧化钛纳米颗粒在紫外光的照射下可以有效的分解NOx、SO2、VOCs等多种气态污染物,且最终产物为H2O、CO2等无害物质。因此,二氧化钛作为主要的光催化成份在多种产品中得到了广泛的应用。
通过二氧化钛光催化原液进行表面施工,在各种作业面形成一种致密的光催化消解膜,是目前利用光催化材料净化气体污染物的有效方法之一。然而,该光催化消解膜在道路等表面受到长时间机械摩擦会逐渐脱落,最终导致对气体污染物的净化能力下降。一般的,光催化消解膜在施工6个月后,需要进行再次施工来保证对气体污染物的净化效果的稳定。因此,需要提供一种在常见表面附着力强,不易磨损的光催化消解膜。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种二氧化钛光催化原液、消解膜及其制备方法,通过添加无机粘合剂,达到增加光催化消解膜的在常见表面的附着力的目的,使之不易受到机械摩擦损耗,从而延长光催化效用时间,并且,通过调控光催化原液中各组分相互作用,使得获得的光催化消解膜仍具有较强的光催化性能,且对施工表面的功能性也无明显影响。
为了解决上述问题,本发明提供一种二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末0.1%-10.0%,多孔吸附材料0.1%-6.0%,分散剂0.1%-10.0%,无机粘合剂1.0%-20.0%,其余为水。
本发明的二氧化钛光催化原液,其中,二氧化钛粉末起光催化作用,其光催化原理是:二氧化钛纳米材料带隙为3.2eV,可吸收波长小于387.5nm的光子。当该纳米材料吸收合适波长范围内光子后,价带电子跃迁至导带,形成光生电子-空穴对。光生电子和空穴分别与环境中的O2分子和H2O分子反应,形成O2 ·-自由基和OH·-自由基。这些自由基具有强氧化性,能有效的与多种气态污染物反应,且最终生成无害产物。更进一步地,多孔吸附材料可将气态污染物吸附至孔道内,最终在多孔材料表面形成吸附-脱附动态平衡,因此可有效的将气态污染物分子富集于光催化消解膜附近,增大污染物与强氧化性自由基的接触机率,从而实现涂料光催化性能的提升。更重要的是,由于现有的光催化消解膜受到机械摩擦极易损耗,因此,本发明通过添加无机粘合剂,使二氧化钛粉末与多孔吸附材料的粘合性能提高,达到增加光催化消解膜的在常见表面的附着力的目的,使之不易受到机械摩擦损耗,从而延长光催化效用时间。
优选地,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末0.5%-5.0%,多孔吸附材料0.5%-4.0%,分散剂0.5%-5.0%,无机粘合剂2.0%-10.0%,其余为水。
原料中,若多孔吸附材料的含量过多,会造成消解膜过厚,影响二氧化钛对阳光中紫外波段光线的吸收效率,同时气体污染物被吸附后无法及时得到净化,当温度等环境因素变化时,孔道中吸附的污染物被释放,易造成二次污染。多孔吸附材料含量过低则会降低消解膜对气体污染物的降解率。而无机粘合剂含量较高时:1.无机粘合剂会填充多孔吸附材料的微孔或介孔结构,阻碍对气态污染物的吸附过程;2.过多的无机粘合剂固化后会在二氧化钛颗粒表面形成包壳,减少二氧化钛表面与气态污染物的接触面积;3.在施工表面形成较厚的硅酸盐层,对其功能性造成影响。而无机粘合剂含量过少则会影响消解膜的表面附着力,使之更易受到机械摩擦而损耗。本发明通过进一步调控原料中各组分的百分比,可使获得的二氧化钛光催化原液光催化性能最佳,喷涂后消解膜的耐磨性能最佳,同时对施工面的功能性影响最小。
优选地,所述二氧化钛粉末为金红石型二氧化钛与锐钛矿型二氧化钛的混合物。二氧化钛在自然界中存在三种晶体结构:金红石型、锐钛型和板钛型,经发明人大量实验发现,采用金红石型二氧化钛与锐钛矿型二氧化钛混合晶型时,可使其光催化性能最佳。
优选地,所述二氧化钛粉末中,锐钛矿型二氧化钛的质量百分比为70%-90%。经发明人大量实验发现,锐钛矿型二氧化钛的质量百分比为70%-90%时,可使其光催化性能最佳。
优选地,所述二氧化钛粉末的粒径为20-50nm。
优选地,所述多孔吸附材料为具有微孔或介孔的材料,所述材料为硅酸盐类材料、硅铝酸盐类材料、多孔炭材料、金属-有机框架材料中的一种或几种的混合物。硅酸盐类材料例如硅藻土、沸石、分子筛等,硅铝酸盐类材料例如高岭土、膨润土、蒙脱石等,金属-有机框架(MOF)或共价有机骨架(COF)材料例如MOF-5、HKUST-1、MIL-100等。
优选地,所述多孔吸附材料的细度大于300目。
优选地,所述分散剂为十二烷基磺酸钠、含1-5个碳原子烷基的羟基烷基纤维素、海藻酸钠中的一种或几种的混合物。
优选地,所述无机粘合剂为固体泡花碱、液体泡花碱中的一种或两种的混合。使用光催化原液进行表面施工后,其中含有的泡花碱会吸收空气中广泛存在的CO2、SO2等酸性气体或与自然界中存在的Ca2+、Mg2+等离子结合而固化,最终脱水形成具有粘结作用的多孔性硅酸盐结构,将二氧化钛纳米颗粒牢固地附着于施工面上,达到增强二氧化钛纳米颗粒在表面的附着力的目的。泡花碱又称工业硅酸钠、水玻璃,是由二氧化硅与纯碱经过高温烧制而成的一种固体或者液体形态的工业产品,广泛应用于造纸、建筑、纺织等多个工业领域。泡花碱的化学组成可以被表示为Na2O·mSiO2·nH2O,其中m(模数)是区别泡花碱与严格意义上的化学品硅酸钠(即偏硅酸钠九水合物,Na2SiO3·9H2O,CAS编号13517-24-3)的重要指标。中华人民共和国国家标准(GB/T 4209-2008)中规定了工业硅酸钠(泡花碱)的模数范围为2.20-3.60。泡花碱相对于严格意义上的化学品硅酸钠具有更快的固化速度与更强的粘合力。另一方面,相比于其他类型的无机粘合剂,例如氢氧化钙,泡花碱对大多数施工面材质,例如水泥道路、墙壁等,具有良好的亲和性以及更快的固化速度,使用较少量的泡花碱即可将二氧化钛光催化原液中的各固体成份快速且牢固地粘合于施工面。使用泡花碱作为粘合剂,在增加消解膜的耐磨性能,延长效用时间的同时,还可达到对施工面的功能性影响的最小化。
本发明的另一方面提供一种制备上述的二氧化钛光催化原液的方法,包括以下步骤:
将所述二氧化钛光催化原液的制备原料混合,得到所述二氧化钛光催化原液。
本发明的再一方面提供一种二氧化钛光催化消解膜,采用上述的二氧化钛光催化原液制备得到。
本发明的再一方面提供一种制备上述的二氧化钛光催化消解膜的方法,包括以下步骤:
将所述二氧化钛光催化原液涂至表面,然后干燥,得到所述二氧化钛光催化消解膜。
本发明与现有技术相比,具有以下有益效果:
1.本发明的二氧化钛光催化原液,其中,二氧化钛粉末起光催化作用,其光催化原理是:二氧化钛纳米材料带隙为3.2eV,可吸收波长小于387.5nm的光子能量。当该纳米材料吸收合适波长范围内光子能量后,价带电子跃迁至导带,形成光生电子-空穴对。光生电子和空穴分别与环境中的O2分子和H2O分子反应,形成O2 ·-自由基和OH·-自由基。这些自由基具有强氧化性,能有效的与多种气态污染物反应,且最终生成无害产物。更进一步地,多孔吸附材料可将气态污染物吸附至孔道内,最终在多孔材料表面形成吸附-脱附动态平衡,因此可有效的将气态污染物分子富集于光催化消解膜附近,增大污染物与强氧化性自由基的接触机率,从而实现涂料光催化性能的提升。更重要的是,由于现有的光催化消解膜受到机械摩擦极易损耗,因此,本发明通过添加无机粘合剂,使二氧化钛粉末与多孔吸附材料的粘合性能提高,达到增加光催化消解膜的在常见表面的附着力的目的,使之不易受到机械摩擦损耗,从而延长光催化效用时间。
2.原料中,若多孔吸附材料含量过多,会造成消解膜过厚,影响二氧化钛对阳光中紫外波段光线的吸收效率,同时气体污染物被吸附后无法及时得到净化。当温度等环境因素变化时,孔道中吸附的污染物被释放,易造成二次污染。多孔吸附材料含量过低则会降低消解膜对气体污染物的降解率。无机粘合剂含量较高时:1.无机粘合剂会填充多孔吸附材料的微孔或介孔结构,阻碍对气态污染物的吸附过程;2.过多的无机粘合剂固化后会在二氧化钛颗粒表面形成包壳,减少二氧化钛表面与气态污染物的接触面积;3.在施工表面形成较厚的硅酸盐层,对其功能性造成影响。而无机粘合剂含量过少则会影响消解膜的表面附着力,使之更易受到机械摩擦而损耗。本发明通过进一步调控原料中各组分的百分比,可使获得的二氧化钛光催化原液光催化性能最佳,喷涂后消解膜的耐磨性能最佳,同时对施工面的功能性影响最小。
3.本发明的二氧化钛光催化原液,使用泡花碱为无机粘合剂,使用光催化原液进行表面施工后,其中含有的泡花碱会吸收空气中广泛存在的CO2、SO2等各种酸性气体或与自然界中存在的Ca2+、Mg2+等离子结合而固化,最终脱水形成具有粘结作用的多孔性硅酸盐结构,将二氧化钛纳米颗粒牢固地附着于施工面上,达到增强二氧化钛纳米颗粒在表面的附着力的目的。相比于其他类型的无机粘合剂,例如氢氧化钙,泡花碱对大多数施工面材质,例如水泥道路、墙壁等,具有良好的亲和性以及更快的固化速度,使用较少量的泡花碱即可将二氧化钛光催化原液中的各固体成份快速且牢固地粘合于施工面。使用泡花碱作为粘合剂,在增加消解膜的耐磨性能延长效用时间的同时,达到对施工面的功能性影响的最小化。
4.本发明的二氧化钛光催化原液,成本造价低廉、生产工艺简单,形成的纳米消解膜在各类表面附着力强、催化作用时间长,具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下述各实施例中,各原料来源为:
P25二氧化钛粉末购自于德国赢创工业集团(Evonik Industries AG);金红石型二氧化钛粉末购自于龙佰集团股份有限公司;锐钛矿型二氧化钛粉末购自于玉门市静洋钛白粉制造有限公司;
固体泡花碱购自于天津中和盛泰化工有限公司,模数为2.85;
实施例1
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末2.0%,多孔吸附材料分子筛13X2.0%,分散剂十二烷基磺酸钠2.0%,无机粘合剂固体泡花碱4.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末由锐钛矿型二氧化钛粉末与金红石型二氧化钛粉末构成,锐钛矿型的有效质量含量为75%;一次粒径范围为25-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法包括以下步骤:
步骤一,将选用的二氧化钛粉末与选用的分子筛13X粉末分多次缓慢添加至纯水中,使用机械搅拌器持续搅拌,最终得到悬浊液1;
步骤二,将该分散剂固体溶解于少量纯水中,待其完全溶解后缓慢加入步骤一的所述悬浊液1中并保持搅拌,得到悬浊液2;
步骤三,将该无机粘合剂加入步骤二所述悬浊液2中,持续搅拌,得到悬浊液3;
步骤四,使用剪切式均质机以2000r/min转速对步骤三所述悬浊液3进行20min均质操作,最终得到白色浆液,为二氧化钛光催化原液成品。
实施例2
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
其中,二氧化钛粉末为市售P25二氧化钛粉,锐钛矿型的有效质量含量为79%,金红石型二氧化钛含量为21%,粒径为20-50nm;活性炭粉细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法包括以下步骤:
步骤一,将选用的二氧化钛粉末与选用的活性炭粉分多次缓慢添加至纯水中,使用机械搅拌器持续搅拌均匀,最终得到悬浊液;
步骤二,将该分散剂固体加入步骤一所述悬浊液中,保持搅拌至悬浊液均一;
步骤三,将上述悬浊液通过均质机进行均质操作,得到均一质地灰白色浆液,为半成品;
步骤四,将无机粘合剂加入步骤三所述半成品中,通过机械搅拌混合均匀,得到灰白色浆液,为二氧化钛光催化原液成品。
实施例3
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末0.5%,多孔吸附材料分子筛13X1.0%,分散剂十二烷基磺酸钠3.0%,无机粘合剂固体泡花碱6.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末由锐钛矿型二氧化钛粉末与金红石型二氧化钛粉末构成,锐钛矿型的有效质量含量为75%,一次粒径范围为25-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末5.0%,多孔吸附材料分子筛13X0.5%,分散剂十二烷基磺酸钠0.5%,无机粘合剂固体泡花碱10.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末为市售P25二氧化钛粉,锐钛矿型的有效质量含量为79%,金红石型二氧化钛含量为21%,粒径为20-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末3.0%,多孔吸附材料分子筛13X1.0%,分散剂十二烷基磺酸钠5.0%,无机粘合剂固体泡花碱2.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末为市售P25二氧化钛粉,锐钛矿型的有效质量含量为79%,金红石型二氧化钛含量为21%,粒径为20-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法与实施例1相同。
实施例6
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末10.0%,多孔吸附材料分子筛13X3.0%,分散剂十二烷基磺酸钠10.0%,无机粘合剂固体泡花碱20.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末为市售P25二氧化钛粉,锐钛矿型的有效质量含量为79%,金红石型二氧化钛含量为21%,粒径为20-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法与实施例1相同。
实施例7
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末0.1%,多孔吸附材料分子筛13X5.0%,分散剂十二烷基磺酸钠0.1%,无机粘合剂固体泡花碱1.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末为市售P25二氧化钛粉,锐钛矿型的有效质量含量为79%,金红石型二氧化钛含量为21%,粒径为20-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法与实施例1相同。
实施例8
本实施例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末2.0%,多孔吸附材料分子筛13X2.0%,分散剂十二烷基磺酸钠2.0%,无机粘合剂粉末状氢氧化钙4.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末由锐钛矿型二氧化钛粉末与金红石型二氧化钛粉末构成,锐钛矿型的有效质量含量大于为75%,一次粒径范围为25-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例所述的二氧化钛光催化原液,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末2.0%,多孔吸附材料分子筛13X2.0%,分散剂十二烷基磺酸钠2.0%,其余为水。
其中,二氧化钛粉末为市售P25二氧化钛粉,锐钛矿型的有效质量含量为79%,金红石型二氧化钛含量为21%,粒径为20-50nm;分子筛13X细度大于300目。
本实施例的二氧化钛光催化原液的制备方法包括以下步骤:
步骤一,将选用的二氧化钛粉末与选用的活性炭粉分多次缓慢添加至纯水中,使用机械搅拌器持续搅拌均匀,最终得到悬浊液;
步骤二,将该分散剂固体加入步骤一所述悬浊液中,保持搅拌至悬浊液均一;
步骤三,将上述悬浊液通过均质机进行均质操作,得到均一质地灰白色浆液,为对比样品。
二氧化钛光催化消解膜性能测试
将上述各实施例及对比例得到的光催化原液,使用喷枪喷涂至表面积为5×10cm2的水泥片表面,制成测试样品片。喷涂条件为:空气压力2.5-3.0Mpa,喷距为20-30cm,垂直于水泥片表面,反复喷涂3次。
将各实施例得到的测试样品片进行光催化性能测试,具体为:待光催化原液干燥48h后,使用乙醛气体为被测标准物,使用气相色谱对测试样品片的光催化性能进行评价。测试条件为:使用零级空气做为载流气,乙醛浓度1.67ppm,气体湿度50%,气体流速300mL/min,紫外光光照强度1mW/cm2。
将各实施例得到的测试样品片进行持续冲刷磨损测试,具体为:使用流速1drop/s的水滴对样品片进行持续冲刷磨损测试。冲刷时,样品片与水平呈60°夹角,连续冲刷48小时后,自然干燥样品片。再次使用上述条件对样品片的光催化性能进行测试。
将各实施例得到的测试样品片进行摩擦测试,具体为:使用硬质橡胶球对样品片进行摩擦测试,使用20kg配重对样品片喷涂二氧化钛光催化原液的一侧进行连续反复摩擦10000次。再次使用上述条件对样品片的光催化性能进行测试。
实验结果如下表1。以下数据中消解膜脱落的量:轻微脱落<明显脱落<大量脱落。由表1的数据可以看出,对比例1与实施例1相比,对比例1未加入无机粘合剂,二者初始光催化性能接近,但经冲刷磨损实验、配重磨损实验后,对比例1的消解膜大量脱落,乙醛降解率显著降低,而实施例1仅配重磨损实验仅有轻微的脱落,乙醛降解率略微降低,因此,本发明的二氧化钛光催化原液通过添加无机粘合剂,使光催化消解膜不易受到机械摩擦磨损,延长了光催化效用时间,且对施工表面的功能性也无影响。进一步地,无机粘合剂的具体选择可使消解膜的耐磨损性能有显著差异,实施例1与实施例8的光催化原液的其余组分均相同,仅无机粘合剂种类不同,二者初始的光催化性能接近,但经冲刷磨损实验、配重磨损实验后,实施例8的消解膜明显脱落,乙醛降解率明显降低,表明无机粘合剂采用泡花碱时,可使消解膜的耐磨损性能更好。进一步地,由于二氧化钛光催化原液中各组分之间存在相互作用,各组分百分含量对消解膜的性能也具有显著影响,其中,实施例1-5为优选的百分含量范围,其获得的消解膜同时具有更好的光催化性能和耐磨损性能;更进一步地,实施例1、2为最优选的实施例,具有最佳的光催化性能和耐磨损性能。
表1
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种二氧化钛光催化原液,其特征在于,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末0.1%-10.0%,多孔吸附材料0.1%-6.0%,分散剂0.1%-10.0%,无机粘合剂1.0%-20.0%,其余为水。
2.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化原液,其特征在于,按照质量百分比计算,其制备原料包括:
二氧化钛粉末0.5%-5.0%,多孔吸附材料0.5%-4.0%,分散剂0.5%-5.0%,无机粘合剂2.0%-10.0%,其余为水。
3.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化原液,其特征在于:
所述二氧化钛粉末为金红石型二氧化钛与锐钛矿型二氧化钛的混合物,锐钛矿型二氧化钛的质量百分比为70%-90%。
4.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化原液,其特征在于:
所述二氧化钛粉末的粒径为20-50nm。
5.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化原液,其特征在于:
所述多孔吸附材料为具有微孔或介孔的材料,所述材料为硅酸盐类材料、硅铝酸盐类材料、多孔炭材料、金属-有机框架材料中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化原液,其特征在于:
所述分散剂为十二烷基磺酸钠、含1-5个碳原子烷基的羟基烷基纤维素、海藻酸钠中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化原液,其特征在于:
所述无机粘合剂为固体泡花碱、液体泡花碱中的一种或两种的混合。
8.一种制备如权利要求1-7任一所述的二氧化钛光催化原液的方法,其特征在于,包括以下步骤:
将所述二氧化钛光催化原液的制备原料混合,得到所述二氧化钛光催化原液。
9.一种二氧化钛光催化消解膜,其特征在于,采用如权利要求1-7任一所述的二氧化钛光催化原液制备得到。
10.一种制备如权利要求9所述的二氧化钛光催化消解膜的方法,其特征在于,包括以下步骤:
将所述二氧化钛光催化原液涂至表面,然后干燥,得到所述二氧化钛光催化消解膜。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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