CN1341484A - 纳米二氧化钛柱撑膨润土及其制备方法 - Google Patents

纳米二氧化钛柱撑膨润土及其制备方法 Download PDF

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纳米TiO2柱撑膨润土及其制备方法。纳米TiO2柱撑膨润土是一种以粒径为1nm以下的二氧化钛柱撑物嵌于膨润土层间通道的新型物质。其制备方法是:取摩尔比为(5－18)∶1∶1.6的无水乙醇、钛酸丁酯及浓度为1M的硝酸;将钛酸丁酯加到无水乙醇中并搅拌使之成淡黄色溶液(A);将(A)滴加到硝酸中并搅拌成透明的溶液,再用强碱调节,使之pH达1－2.5,同时又充分搅拌生成透明溶液(B);取用其量为钛酸丁酯摩尔数的(5－15)倍的膨润土并用水浸润且加到溶液(B)中,进行1小时以上的搅拌;再固液分离、水洗直至其上清液的pH值为6－7;然后在不高于80℃下烘干、碾细;最后在400－700℃的温度下煅烧2－5小时并冷却、碾成粉末。它是一种高效催化降解有机污染物的光催化剂。

Description

纳米二氧化钛柱撑膨润土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米二氧化钛柱撑膨润土及其制备方法。它的是一种能高效降解有机污染物的光催化剂，主要用于环境治理，如工业废水、生活污水等的水净化处理。
背景技术
在环境治理过程中，经常会碰到一些难以降解的有机污染物，它直接影响到环境治理的效果，甚至使治理过程无法进行。近年来，高级氧化工艺，特别是光催化氧化工艺在处理难降解有机污染物方面的独特优势已引起人们的普遍关注。高效光催化剂的研究一直是国内外研究热点之一，研究发现，半导体光催化剂的光催化活性随着颗粒粒径的减小而增大，尤其当半导体颗粒的粒径小于10m时，量子尺寸效应明显，光致电子与光致空穴的分离效率提高，高活性氧化物种一羟基的生成几率增大，从而大大提高反应速率。科研人员从该理论中得到启示，并以研制这种量子尺寸的半导体颗粒为重大课题，以解决当今环境治理中难降解有机污染物治理的难题。
科研人员在解决上述难题的同时，又考虑到另一个问题，即量子尺寸的半导体颗粒的粒径太小，故难以从悬浮态中将它分离，以致在使用后无法将它回收，从而造成浪费，使环保治理的成本大大提高，且难以被推广应用。因此需要得到一种既能起到高效催化降解有机污染物的作用，又能在催化反应后被快速、方便地分离回收的光催化剂。
层状化合物或层状粘土，由于它们独特的层柱及微孔结构，在催化领域引起人们的关注，人们设想从分子及原子水平上设计催化剂、调控催化性能的观点出发，在层状粘土层间嵌入半导体微粒可能显示出很高的光催化性能。
发明内容
本发明的目的是要填补上述现有技术中的空白，提供一种纳米二氧化钛柱撑膨润土及其制备方法。该物质具有能高效催化降解有机污染物的作用，又易于分离回收等特点；同时，其制备方法又具有简单可行、用料方便且价格低廉等特点。
本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土的结构，是一种以粒径为1nm以下的二氧化钛为柱撑物，以该柱撑物嵌于膨润土层间通道的新型物质。
本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土，是一种用于催化降解有机污染物的光催化剂。
本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土的制备方法如下：
1)取无水乙醇、钛酸丁酯、浓度为1M(即1mol/l)的硝酸(即HNO3)，它们的摩尔比为(5-18)∶1∶1.6，待用；
2)先将上述已准备好的钛酸丁酯加到无水乙醇中，经充分搅拌使之形成淡黄色的溶液(A)；然后将该溶液(A)滴加到上述的硝酸中，经剧烈搅拌生成透明的溶液；此后再用浓度不高于1M(亦即1mol/l)的强碱(如氢氧化钠、氢氧化钾等)去调节此溶液的pH值，使pH值达到1-2.5，同时充分搅拌，直至生成透明溶液(B)，待用；
3)取用膨润土，其量为钛酸丁酯摩尔数的(5-15)倍，且其计量单位以g(即克)表示，并用与膨润土同样质量的水充分浸润后，将其加到上述的透明溶液(B)中，且进行不小于1小时的充分搅拌；再将它进行固液分离、水洗，直至其上清液的pH值为6-7；然后又将此混合物在不高于80℃的温度下进行烘干，烘干后再行充分碾细；此后又在400-700℃的温度下煅烧2-5小时；最后，待其冷却后再一次碾成粉末，即为本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土，并将其置于暗处保存即可。
本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土的优点是：1)它是一种在膨润土的层间镶嵌了粒径约为1nm以下的半导体微粒的纳米级光催化剂，它具有较高的催化降解有机化合物活性，特别是量子尺寸效应明显，光致电子与空穴的分离几率升高，羟基生成速率提高，从而提高了光催化降解速率；2)本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土具有负载型催化剂的一般共性，即易于将它从悬浮状态中分离回收；3)根据非均相反应理论，反应基质浓度越高，反应速率越快；膨润土本身具有较好的吸附性能，可以在催化剂的周围创造一个局部高浓度“小环境”，从而进一步提高有机污染物的降解速率。
综上所述，本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土是一种当今世界环保工作者所渴望的高速高效降解有机物的光催化剂，并且它还具有容易回收等特点。
本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土制备方法的优点是：
1)它的用料品种不多，操作简单，控制方便，且所用设备简单、通用性好；
2)它的用料量以膨润土居多，该土是以蒙脱石为主要成分的层状硅酸盐粘土矿物，在自然界中分布较为广泛，取材容易，价格低廉，因此使本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土的制造成本较低。
附图说明
图1是提纯膨润土、50℃处理后的TiO2/膨润土样品，以及500℃热处理后的TiO2/膨润土样品的XRD图谱(衍射角3-70°)。
具体实施方式
实施例1.本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土，是一种以粒径为1nm以下的二氧化钛纳为柱撑物，以该柱撑物嵌于膨润土层间通道的新型物质。由于实验测试技术的局限性，并且因本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土的层间结构太小，故未能以电镜图片表示，但其二氧化钛颗粒粒径大小可以通过图1并结合相关的理论作如下的推算。
图1是三种样品的XRD全谱，其中曲线I是表示膨润土的XRD全谱、曲线II是表示用煅烧温度为50℃处理的二氧化钛柱撑膨润土样品的XRD全谱、曲线III是表示用煅烧温度为500℃处理本发明样品的XRD全谱。d(001)是对应于膨润土层间间隙的最大距离，与d(001)对应的衍射角度2θ分别是：纯膨润土为5.88°、煅烧温度为50℃的样品为5.60°、煅烧温度为500℃处理后的本发明样品为9.06°。其对应的间距分别为1.502nm和1.577nm、0.982nm。从此可以看出，50℃处理后的样品中，膨润土的001衍射峰向小角度(5.60°)移动，这表明膨润土层间的阳离子与钛酸丁酯水解产生的水合阳离子已经发生了离子交换，水合阳离子进入层间；由于水合阳离子的粒径明显大于原膨润土层间的Na+与Ca2+等无机阳离子，从而将膨润土被撑开成层，使层间通道高度明显增大；而500℃处理后，代表产物层间距大小的衍射峰向高角度(9.06°)移动，也可以说，水合阳离子经空气中500℃煅烧处理后，原先在层间充当柱子的化合物此时已完全分解，代之充当支撑层板的柱子应是层间经氧化分解后形成的TiO2颗粒。另外，由于其层间距d(001)仅为0.982nm，因此，层间的TiO2柱子的净高度是在1nm以下，所以本发明是以粒径1nm以下的TiO2颗粒柱撑层状膨润土所形成的纳米二氧化钛柱撑膨润土。
本实施例纳米二氧化钛柱撑膨润土的制备方法如下：
1)取备无水乙醇、钛酸丁酯、浓度为1M(即1mol/l)的硝酸(即HNO3)，它们的摩尔比为5.5∶1∶1.6；待用；
2)先将上述待用的钛酸丁酯加到无水乙醇中，经充分搅拌使之形成淡黄色的溶液(A)；然后将该溶液(A)滴加到上述的硝酸中，经剧烈搅拌生成透明的溶液；这时再用浓度不高于1M(亦即1mol/l)的强碱一氢氧化钠去调节此溶液的pH值，使该pH值达1.5，同时充分搅拌，直至生成透明溶液(B)，待用；
3)取用膨润土，其量为钛酸丁酯摩尔数的10倍，且其计量单位以g(即克)表示，并用与膨润土同样质量的水充分浸润后，将其加到上述的透明溶液(B)中，且进行不小于1小时的充分搅拌；再将它进行固液分离、水洗，直至其上清液的pH值为6；然后又将此混合物在不高于80℃的温度下进行烘干，烘干后再行充分碾细；此后又在510℃的温度下煅烧3.8小时；最后，待其冷却后再一次碾成粉末，即为本发明的以纳米二氧化钛柱撑膨润土，并将其置于暗处保存即可。
实施例2.与实施例1所不同的是它以一组十个不同摩尔数的配例(I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、IX、X)作试验，所制得的本发明纳米二氧化钛柱撑膨润土相同。该组各料的摩尔数如下表一：
表一
料    名     摩  尔    数
    I     II     III     IV     V     VI     VII     VIII     IX     X
    无水乙醇     5     6     8     10     12     14     15     16     17     18
    钛酸丁酯     1     1     1     1     1     1     1     1     1     1
    硝酸(1M)     1.6     1.6     1.6     1.6     1.6     1.6     1.6     1.6     1.6     1.6
实施例3.与实施例1所不同的是；它的制备方法中采用一组七例(I、II、III、IV、V、VI、VII)的不同的煅烧温度与其相应的煅烧时间，制得的结果基本相同。该组各例的煅烧温度与其相应的煅烧时间列于下表二：
表二
例子 I  II  III IV V VI VII
煅烧温度(℃) 400  450  500  550  600  650  700
煅烧时间(小时) 5.0  4.5  4.0  3.5  2.5  2.2  2.0
实施例4.与实施例1所不同的是它既采用了实施例2中的一组十个不同摩尔数的配料(如表一所示)，又采用了实施例3中的不同的煅烧温度与其相应的煅烧时间(如表二所示)，其制备的结果也基本相同。

Claims (3)

1、一种纳米二氧化钛柱撑膨润土，其特征是：是一种以粒径为1nm以下的二氧化钛为柱撑物，以该柱撑物嵌于膨润土层间通道的新型物质。
2、一种纳米二氧化钛柱撑膨润土的制备方法是：
1)取无水乙醇、钛酸丁酯、浓度为1M(即1mol/l)的硝酸(即HNO3)，它们的摩尔比为(5-18)∶1∶1.6，待用；
2)先将上述取备的钛酸丁酯加到无水乙醇中，经充分搅拌使之形成淡黄色的溶液(A)；然后将该溶液(A)滴加到上述的硝酸中，经剧烈搅拌生成透明的溶液；这时再用浓度不高于1M(亦即1mol/l)的强碱去调节此溶液的pH值，使该pH值达1-2.5，同时充分搅拌，直至生成透明溶液(B)，待用；
3)取用膨润土，其量为钛酸丁酯摩尔数的(5-15)倍，且其计量单位以g(即克)表示，并用与膨润土同样质量的水充分浸润后，将其加到上述的透明溶液(B)中，且进行不小于1小时的充分搅拌；再将它进行固液分离、水洗，直至其上清液的pH值为6-7；然后又将此混合物在不高于80℃的温度下进行烘干，烘干后再行充分碾细；此后又在400-700℃的温度下煅烧2-5小时；最后，待其冷却后再一次碾成粉末，即为本发明的纳米二氧化钛柱撑膨润土，并将其置于暗处保存即可。
3、一种纳米二氧化钛柱撑膨润土，其特征是一种用于催化降解污染有机物的光催化剂。
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