一种超声铁氮掺杂二氧化钛对废水中塑料微珠的降解制造技术

本发明专利技术提供了一种超声铁氮掺杂二氧化钛对废水中塑料微珠的降解，所述光催化剂为超声铁氮掺杂二氧化钛空心微球；所述超声铁氮掺杂二氧化钛空心微球的粒径为100～600nm，微球的孔径为5～15nm，所述超声铁氮掺杂二氧化钛空心微球的比表面积为200～400m

【技术实现步骤摘要】
一种超声铁氮掺杂二氧化钛对废水中塑料微珠的降解
本专利技术涉及光催化剂制备及废水处理
，尤其涉及一种超声铁氮掺杂二氧化钛对废水中塑料微珠的降解。
技术介绍
塑料微珠(PlasticMicrobeads)通常指粒径小于5毫米且不溶于水的塑料固体，通常由有机高分子聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、尼龙)组成，在个人护理及化妆品中常作为填充剂、成膜剂、增稠剂及悬浮剂等使用，一般来说，塑料微珠难以生物降解，半衰期可达数百年之久，不仅会污染环境，对海洋生物造成威胁，影响生态平衡，还可能通过食物链影响人类健康，目前的废水处理设备滤除塑料微珠的能力十分有限，除了随污水排放破坏水环境，塑料微珠还可以沉淀到土壤中，污染土壤，塑料微珠对水和土壤的染污可进一步影响生态平衡。纳米二氧化钛作为光催化剂能够利用紫外光作为光源，与塑料等污染物进行光催化反应，将污染物降解成小分子的无毒物质，避免了对环境的二次污染，但由于二氧化钛禁带宽度仅限于紫外区域(<380nm)且还存在密度大，在水中易下沉，光源利用率低并且不易回收的缺陷，限制了其应用与推广，因此需要对二氧化钛光催化剂作改性处理。申请号为CN104492469A的专利技术专利申请公开了一种铁氮掺杂二氧化钛复合光催化剂制备方法，该制备方法首先制备出二氧化钛粉末，再向其中加入三乙胺，经旋转蒸发仪脱溶，再烘干得到掺杂氮的二氧化钛复合光催化剂，通过和硝酸铁的作用下，最终得到产物铁氮掺杂二氧化钛复合光催化剂，但是该方法制备的光催化剂存在密度大在废水中光源利用率低的缺陷。申请号为CN201810114902.6的专利技术专利公开了一种具有空心结构的N-TiO2光催化剂制备方法，该方法以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的离子液体作为溶剂、微波吸波剂及氟源、氮源，在微波辅助热条件下，合成具有空心结构的二氧化钛，后将得到的混合物置于惰性气体气氛中煅烧，利用离子液体中的氮源对合成的TiO2进行掺杂修饰，制备具有空心结构的N-TiO2，但是该光催化剂的光催化效率并没有得到显著提升。申请号为CN201511030931.7的专利技术专利公开了一种Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球阵列可见光光催化剂及制备方法，该制备方法利用两步模板法制备三维有序铁、氮共掺杂的介孔TiO2微球阵列，但是该方法存在密度大在废水中光源利用率低的缺陷。有鉴于此，有必要提供一种低密度高比表面积且光催化效率优异的二氧化钛光催化剂，用以满足实际应用的需要。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种超声铁氮掺杂二氧化钛对废水中塑料微珠的降解。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种光催化剂，该光催化剂为铁氮掺杂二氧化钛空心微球；所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球的粒径为100～600nm，微球的孔径为5～15nm，所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球的比表面积为200～400m2/g。优选的，所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球中，铁与钛的原子比为(1～3)：100；氮与钛的原子比为(2～5)：100。为了实现上述专利技术目的，本专利技术还提供了上述光催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1，将钛酸四丁酯缓慢滴加到无水乙醇中，充分搅拌使之混合均匀，然后加入预定量的醋酸搅拌，配制成二氧化钛前驱体溶液；S2，按预定比例，将硝酸铁和碳酰胺加到无水乙醇中，加入预定量的水，搅拌至充分溶解，配制成铁氮前驱体溶液；S3，将步骤S2制备的所述铁氮前驱体溶液缓慢滴加到步骤S1制备的所述二氧化钛前驱体溶液中，调节pH值到3～4，搅拌处理30～40min，配制成混合溶液，将所述混合溶液转入水热反应釜中，加入预定量的水，同时辅以超声处理，在150～170℃下，进行水热反应8～24h；S4，步骤S3所述水热反应完毕后，取出产物，离心洗涤，然后研磨充分后，于400～500℃下焙烧1～3h，制备得到所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球，即为所述光催化剂。优选的，在步骤S1中，所述钛酸四丁酯与所述无水乙醇的体积比为1：(2～3)。优选的，在步骤S2中，所述硝酸铁和所述碳酰胺的摩尔质量比为(1～5)：(1～3)。优选的，在步骤S3所述的超声处理中，超声功率设置为200～400W。优选的，在步骤S3所述的混合溶液中，铁的摩尔质量、氮的摩尔质量与钛的摩尔质量三者的比例为(1～3)：(2～5)：100。优选的，在步骤S3中，所述铁氮前驱体溶液与所述二氧化钛前驱体溶液的体积比为1：(2～3)。为了实现上述专利技术目的，本专利技术还提供了上述光催化剂在降解废水塑料微珠中的应用。优选的，所述应用包括如下步骤：A1，将含有粒径小于5mm塑料微珠的废水进行过滤精度小于等于5μm的过滤浓缩处理，得到浓缩废水；所述浓缩废水中，所述塑料微珠的丰度为105～1010个/L；A2，将所述光催化剂加入到步骤A1制备的所述浓缩废水中，搅拌10～30min充分混合，得到预处理溶液；所述预处理溶液中，所述光催化剂的添加量为10～100mg/L；A3，将步骤A2所述预处理溶液放置在光强为1～5mW/cm2的紫外灯下照射10～30d，然后同时辅以超声波处理，进行所述塑料微珠的超声波强化光催化降解反应；所述超声波处理的功率为400～600w；A4，步骤A3所述的超声波强化光催化降解反应结束后，回收所述光催化剂。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的铁氮掺杂二氧化钛空心微球光催化剂，其构筑的纳米空心微球结构，具有低密度、高比表面积、高稳定性能、捕光效率高以及特殊的纳米尺寸物理性质，其高比表面积的特性能够给光催化剂和废水中的塑料微珠之间的光催化降解反应提供更多的活性位点，且其较高的结晶度能减少光生电子和活性空穴的复合速率，从而提高催化活性，其低密度的特性能够使得光催化剂在废水中处于稳定的悬浮状态，有效克服了光催化剂在废水中易下沉致使光源利用率低的缺陷；同时，该悬浮状态的光催化剂获得了与悬浮的塑料微珠更多的接触面积，有利于光催化降解反应的进行。2、本专利技术提供的铁氮掺杂二氧化钛空心微球光催化剂，在空心微球二氧化钛的结构上，还掺杂了铁和氮；铁掺杂会使铁离子进入到二氧化钛晶格内部，替代部分钛离子，产生晶格畸变，畸变会产生应变能，使晶格中的氧原子容易逃离，从而降低空穴-电子对的复合几率，使其光催化性能提高；氮掺杂后会形成新的价带，同时氮掺杂还会在二氧化钛表面形成稳定的氧空位，从而大大提高了光催化剂在可见光范围的光催化性能，铁、氮共掺时，铁、氮会产生协同作用，促进其对光的吸收，从而产生更多的空穴-电子对，显著提高了二氧化钛的光催化性能，而且本专利技术中采用硝酸铁和碳酰胺共混的铁氮前驱体溶液，制备方法简单，操作可控。3、本专利技术提供的铁氮掺杂二氧化钛空心微球光催化剂，采用超声和水热相结合的方法制备铁氮掺杂二氧化钛空心微球，在水热反应过程中，辅助以超声处理，两者相互协同，合成了高结晶度的二氧化钛空心微球，协同机理为：超声波能够产生空化效应，产生局本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光催化剂，其特征在于：所述光催化剂为铁氮掺杂二氧化钛空心微球；所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球的粒径为100～600nm，微球的孔径为5～15nm，所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球的比表面积为200～400m

【技术特征摘要】
1.一种光催化剂，其特征在于：所述光催化剂为铁氮掺杂二氧化钛空心微球；所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球的粒径为100～600nm，微球的孔径为5～15nm，所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球的比表面积为200～400m2/g。


2.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于：所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球中，铁与钛的原子比为(1～3)：100；氮与钛的原子比为(2～5)：100。


3.一种权利要求1-2中任一项权利要求所述的光催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，将钛酸四丁酯缓慢滴加到无水乙醇中，充分搅拌使之混合均匀，然后加入预定量的醋酸搅拌，配制成二氧化钛前驱体溶液；
S2，按预定比例，将硝酸铁和碳酰胺加到无水乙醇中，加入预定量的水，搅拌至充分溶解，配制成铁氮前驱体溶液；
S3，将步骤S2制备的所述铁氮前驱体溶液缓慢滴加到步骤S1制备的所述二氧化钛前驱体溶液中，调节pH值到3～4，搅拌处理30～40min，配制成混合溶液，将所述混合溶液转入水热反应釜中，加入预定量的水，同时辅以超声处理，在150～170℃下，进行水热反应8～24h；
S4，步骤S3所述水热反应完毕后，取出产物，离心洗涤，然后研磨充分后，于400～500℃下焙烧1～3h，制备得到所述铁氮掺杂二氧化钛空心微球，即为所述光催化剂。


4.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述钛酸四丁酯与所述无水乙醇的体积比为1：(2～3)。


5.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述硝酸铁和所述碳酰胺的摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭亚娟，陈青亮，颜雄，胡海军，何莉，李文昭，樊磊磊，王庆鹤，赵君，
申请(专利权)人：遵义师范学院，
类型：发明
国别省市：贵州;52