固载型催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种固载型催化剂及其制备方法与应用，属于光催化技术领域。解决了现有光催化反应器中使用的薄膜催化剂与载体贴合不紧密、光利用效率低的技术问题。本发明专利技术的固载型催化剂，由三聚氰胺海绵体和固载其上的TiO2或固载其上的TiO2/H3PW12O40复合催化剂组成。该固载型催化剂通过原位生长技术将催化剂牢固均匀的生长在三聚氰胺海绵体内部骨架上，具有优良的使用稳定性和固载稳定性，光催化活性高，催化降解效率达到85％以上。

Supported Catalyst and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
固载型催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于光催化
，具体涉及一种固载型催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
水污染问题的日益严峻引起了社会各界的广泛关注。光催化技术在消减水中有机污染物方面显示出高效、节能、无二次污染等优异特性，受到人们的广泛青睐。然而，太阳能利用率低、光生电荷易于复合、催化剂难回收等问题严重制约了此项技术的实际应用。光催化反应器作为光催化反应设备的核心部件决定了催化剂活性的发挥和对光的利用率，也将直接影响光催化反应的效率。现有的液相光催化氧化反应主要在泥浆型光催化反应器体系中进行，此种体系催化剂粉末悬浮于反应液中，光源通常位于反应器内部或者外部。这类反应器的优点是设计和加工简单，且催化剂与反应物接触充分，然而，它们存在许多限制其实际应用的问题，如：催化剂纳米粒子在水中成乳状分散，后续分离不仅困难且成本较高；催化剂在循环使用过程中流失严重；反应物和产物所受传质阻力较大，导致光催化降解有机物反应速率慢；每次降解污染物溶液的体积固定，不能连续处理大量废水。因此，设计以太阳光为能源、能效高且催化剂分离回收简单或不需额外分离过程的新型光催化反应器体系是光催化污水处理技术实际应用的前提和保障。基于此设计思想，研究者近年来研制了各种催化剂固载型光催化反应器体系，通过采用悬涂、浸渍提拉或高温处理等技术将光催化剂以薄膜形式固定在光源的外壁或光源周围的载体上，例如：沸石、玻璃珠、石英玻璃基片、玻璃纤维布、陶瓷粒子、氧化铝网状泡沫和聚氨酯泡沫等，解决了催化剂难以循环使用的问题，同时，体系中反应物和产物的传质阻力明显减小，对光催化剂活性的提高有一定的贡献。然而，由于这些载体存在不同程度上的比表面积小、与催化剂结合不够紧密、光利用率低等缺点，尝试新的催化剂固载材料及开发更加牢固的固载技术以提高光催化效率十分必要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术为解决现有光催化反应器中使用的薄膜催化剂，与载体贴合不紧密、光利用效率低的技术问题，提供一种固载型催化剂及其制备方法与应用。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。本专利技术提供的固载型催化剂，由三聚氰胺海绵体和固载其上的TiO2或固载其上的TiO2/H3PW12O40复合催化剂组成。优选的是，所述三聚氰胺海绵体的密度为4～12kg/m3，开孔率在99％以上。优选的是，所述TiO2的固载量为37.5wt％～75wt％，TiO2/H3PW12O40复合催化剂的固载量为37.5wt％～75wt％，TiO2/H3PW12O40复合催化剂中，H3PW12O40和TiO2的质量比为(0.01～0.1):1。本专利技术还提供上述的固载型催化剂的制备方法，步骤如下：步骤一、先向反应容器中加入异丙醇，然后在搅拌条件下，滴加四异丙氧基钛，搅拌反应0.5h以上，再滴加的冰醋酸，继续搅拌反应0.5h以上，最后滴加蒸馏水，搅拌反应0.5h以上，得到溶胶；所述异丙醇：四异丙氧基钛：冰醋酸：蒸馏水的体积比为(10～20):(1～4):1:0.2；或者，在加入冰醋酸前，滴加含有H3PW12O40的异丙醇，搅拌反应0.5h以上；所述含有H3PW12O40的异丙醇中H3PW12O40的浓度为4.1～41mg/ml，所述异丙醇：四异丙氧基钛：含有H3PW12O40的异丙醇：冰醋酸：蒸馏水的体积比为(8～18):(1～4):2:1:0.2；步骤二、向步骤一得到的溶胶中加入水洗醇洗后的三聚氰胺海绵体，浸泡10min以上，得到带有溶胶的三聚氰胺海绵体；步骤三、将带有溶胶的三聚氰胺海绵体置于反应釜中，升温至140～200℃，水热反应2～24h，然后在80℃条件下保持120min，100℃下保持300min，得到固载型催化剂坯体；步骤四、将固载型催化剂坯体依次水洗、醇洗，80～100℃条件下干燥后，得到固载型催化剂。优选的是，所述步骤一中，搅拌速度为600～2400rpm，滴加四异丙氧基钛和冰醋酸后搅拌反应时间为0.5～1h，加入蒸馏水后的搅拌反应时间为0.5～12h，滴加含有H3PW12O40的异丙醇后的搅拌反应0.5～1h；滴加速度均为1d/3s。优选的是，所述步骤二中，浸泡时间为10min～1h。优选的是，所述步骤三中，升温速率为2～5℃·min-1。优选的是，所述步骤三中，三聚氰胺海绵体水洗和醇洗的过程为，将三聚氰胺海绵体置于承装蒸馏水的烧杯中，搅拌条件下水洗3次以上，每次30min以上，在同样条件下，换用无水乙醇，醇洗3次以上，每次30min以上。进一步的，所述步骤三中，将带有溶胶的三聚氰胺海绵体置于反应釜前，将带有溶胶的三聚氰胺海绵体孔隙中的溶胶挤压出去。本专利技术还提供上述固载型催化剂在消减水中有机物污染中的应用。本专利技术还提供含有上述固载型催化剂的光催化反应器，该光催化反应器为中空带盖容器，光催化反应器的外壁上设有与光催化反应器的内腔连通的进水口和出水口，光催化反应器的内壁上设有一个或多个挡片组件，每个挡片组件由一个或两个挡片单元组成，每个挡片单元由一个挡环组成或由三个以上的挡片组成，所述挡环为环形，与光催化反应器同轴设置且环形外边缘固定在催化剂反应器的内壁上，所述挡片均固定在光催化反应器的内壁上，且设置在同一个垂直于光催化反应器中心轴的平面上；所述固载型催化剂的横截面形状与光催化反应器的横截面形状相同，固载型催化剂与挡片组件一一对应，一个固载型催化剂通过一个挡片组件固定在光催化反应器的内腔中，挡片组件由一个挡片单元组成时，固载型催化剂的底面与挡片单元的顶面接触，挡片组件由两个挡片单元组成时，固载型催化剂卡在两个挡片单元之间；液体经进水口进入催化剂反应器的内腔中，流经固载型催化剂后，从出水口流出。本专利技术还提供含有上述光催化反应器的光催化反应设备，该光催化反应设备还包括蠕动泵、进水管、出水管和太阳能模拟器；所述进水管的一端与进水口连接；所述出水管的一端与出水口连接；所述蠕动泵设置在进水管上，将待处理液体经进水管引入光催化反应器中；所述太阳能模拟器发出模拟太阳光的光线，照射光催化反应器。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的固载型催化剂通过原位生长技术将TiO2或TiO2/H3PW12O40牢固均匀的生长在MS内部骨架上，具有优良的使用稳定性和固载稳定性，光催化活性高，催化降解效率达到85％以上。本专利技术的固载型催化剂的制备方法工艺简单，易操作，无需特殊设备，适合大规模连续生产。本专利技术的光催化反应器，能效高、不需额外分离过程。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中的描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的光催化反应设备的结构示意图；图中，1、光催化剂反应器，101、进水口，102、出水口，103、挡片，104，挡环，2、蠕动泵，3、进水管，4、出水管，5、太阳能模拟器；图2为对比例1的TiO2和对比例2的TiO2/H3PW12O40的XRD图；图3为对比例1的TiO2、商购H3PW12O40和对比例2的TiO2/H3PW12O40的FT-IR图；图4中，图4a为MS的骨架结构，图4b和图4c分别为本专利技术的实施例1的Ti本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.固载型催化剂，其特征在于，由三聚氰胺海绵体和固载其上的TiO2或固载其上的TiO2/H3PW12O40复合催化剂组成。

【技术特征摘要】
1.固载型催化剂，其特征在于，由三聚氰胺海绵体和固载其上的TiO2或固载其上的TiO2/H3PW12O40复合催化剂组成。2.根据权利要求1所述的固载型催化剂，其特征在于，所述三聚氰胺海绵体的密度为4～12kg/m3，开孔率在99％以上。3.根据权利要求1所述的固载型催化剂，其特征在于，所述TiO2的固载量为37.5wt％～75wt％，TiO2/H3PW12O40复合催化剂的固载量为37.5wt％～75wt％，TiO2/H3PW12O40复合催化剂中，H3PW12O40和TiO2的质量比为(0.01～0.1):1。4.权利要求1～3任何一项所述的固载型催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、先向反应容器中加入异丙醇，然后在搅拌条件下，滴加四异丙氧基钛，搅拌反应0.5h以上，再滴加的冰醋酸，继续搅拌反应0.5h以上，最后滴加蒸馏水，搅拌反应0.5h以上，得到溶胶；所述异丙醇：四异丙氧基钛：冰醋酸：蒸馏水的体积比为(10～20):(1～4):1:0.2；或者，在加入冰醋酸前，滴加含有H3PW12O40的异丙醇，搅拌反应0.5h以上；所述含有H3PW12O40的异丙醇中H3PW12O40的浓度为4.1～41mg/ml，所述异丙醇：四异丙氧基钛：含有H3PW12O40的异丙醇：冰醋酸：蒸馏水的体积比为(8～18):(1～4):2:1:0.2；步骤二、向步骤一得到的溶胶中加入水洗醇洗后的三聚氰胺海绵体，浸泡10min以上，得到带有溶胶的三聚氰胺海绵体；步骤三、将带有溶胶的三聚氰胺海绵体置于反应釜中，升温至140～200℃，水热反应2～24h，然后在80℃条件下保持120min，100℃下保持300min，得到固载型催化剂坯体；步骤四、将固载型催化剂坯体依次水洗、醇洗，80～100℃条件下干燥后，得到固载型催化剂。5.根据权利要求4所述的固载型催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，搅拌速度为600～2400rpm，滴加四异丙氧基钛和冰醋酸后搅拌反应时间为0.5～1h，加入蒸馏水后的搅拌反应时间为0.5～12h，滴加含有H3PW12O40的异丙醇后的搅拌反应0.5～1h，滴加速度均为1d/3s；所述步骤二中，浸泡时间为10min～1h；所述步骤三中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雨昕，杨芷，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22