[发明专利]可用于水和空气净化的硅藻土负载纳米TiO2材料的制备方法

说明书

1.技术领域

本发明涉及一种可用于水和空气净化的硅藻土负载纳米TiO₂材料的制备方法，属于矿物材料加工与环境治理领域。

2.背景技术

水污染及空气污染对人类的生活环境及健康造成重大威胁。水污染和空气污染治理直接关系到人类的繁衍生息和经济的可持续发展。目前的水和空气污染治理的方法很多，如吸附法、化学法、物理化学法、生化法、光催化法等。许多材料，如活性炭、沸石、分子筛、硅藻土、膨润土等经过加工，具有选择性吸附各种有机、无机污染物的功能，广泛应用于水污染和空气污染治理。但研究发现，利用单纯吸附法处理水污染和空气污染，只是利用其吸附性能，把污染物从水中或空气中转移出来，有害的物质并没有分解或去除。处理废水后的污泥以及饱和吸附了有毒气体的吸附材料仍然存在环境污染问题，需要进行治理。另外，单纯吸附方法也不能用于废水的深度处理，如去除苯酚、氨氮等。光催化被认为是有较大应用前景的水和空气净化技术，这种方法的优点是较广的适应性，理论上，只要有足够的反应时间，污染物均能彻底分解。最著名的光催化剂是纳米二氧化钛。研究证实，各种各样的挥发性有机物，如烷烃、烯烃、卤代烃、芳烃、醇、醛、酮等均能被其光催化降解。但是，采用化学方法制备的纳米TiO₂光催化材料往往是高分散的微细粉末，直接使用存在着分散性差、难以回收、吸附能力不好等问题。进一步的研究发现纳米TiO₂光催化剂虽然既能分解除去水和空气中的有机污染物，而且对环境友好，但生产成本高、使用不方便、而且要在紫外光照射下才有效，在太阳光下效果欠佳。纳米TiO₂光催化剂的这些不足，促使人们研究开发生产成本较低、持续有效且能方便使用和回收的负载型的纳米TiO₂光催化材料，同时强化光催化降解方法的研究，如为克服低浓度污染物的光催化降解速率较慢的问题，研究者近年来采用光催化技术与吸附技术相结合的方法。目前研究的用于负载纳米TiO₂的载体材料主要有活性炭、分子筛、沸石、膨润土、海泡石、玻璃、陶瓷、二氧化硅等。负载方法主要有溶胶-凝胶、液相沉淀、浸渍、化学气相沉积、熔融分相等。但一方面沸石分子筛、活性碳等作为载体材料，生产成本较高，而且这些载体的孔径太小(小于1nm)，负载光催化剂组分(如纳米二氧化钛)后孔道大多被遮盖，透光性较差，影响光催化剂效果的发挥，虽然天然沸石、膨润土、海泡石、玻璃等作为载体材料生产成本较低，但同样存在孔径小，负载纳米二氧化钛后孔道大多被遮盖，透光性差，影响光催化剂效果发挥的问题；另一方面，溶胶-凝胶、液相化学沉淀、气相沉积、熔融分相等方法生产成本高，现有的液相沉积和浸渍法难以得到负载均匀、催化活性高的纳米二氧化钛。

本发明的目的是针对目前用于水和空气污染治理的二氧化钛光催化材料及其制备方法存在的不足，提出一种可用于水和空气净化的用天然硅藻土负载纳米TiO₂材料的制备方法。由于硅藻土颗粒的天然孔径较大(几十至几百纳米)，分布规则且贯通，因此负载纳米二氧化钛后虽然孔道变小但仍可贯通光线，不影响纳米二氧化钛光催化剂效果的发挥，在太阳光和日光灯下也有较好的光催化作用。此外，硅藻土本身孔隙率高、吸附性能好，而且来源广、生产成本低，使用过程对环境友好。本发明对于对水污染的深度处理及有毒有害气体的高效和安全去除以及负载型纳米二氧化钛材料制备技术的进步和硅藻土资源的深加工利用具有重要意义。

3.发明内容

将硅藻土原矿加水进行搅拌分散、筛分、重力沉降和离心沉降，除去与硅藻土共、伴生的石英、长石、云母、粘土等矿物及混入的草根、树皮等有机物后采用硫酸溶液溶出孔道内残留的粘土类矿物杂质，得到硅藻精土；再对硅藻精土进行过滤、干燥和焙烧；将焙烧后的硅藻精土加水搅拌制浆，加酸调节pH后加入TiCl₄溶液，然后加入硫酸铵溶液进行水解沉淀反应；将反应产物过滤、洗涤、干燥和煅烧，即得硅藻土负载纳米TiO₂材料(图1)。

其工艺步骤如下：

(1)将硅藻土原矿进行搅拌分散和分离

由于硅藻土原矿中含有石英、长石、云母、粘土等矿物及混有草根、树皮等有机物，因此在负载纳米TiO₂之前须对其进行选矿提纯。搅拌分散的目的是使矿物杂质和有机质与硅藻土颗粒解离；筛分的目的是除去草根、树皮等有机杂质和粗颗粒矿物杂质；重力沉降的目的是利用硅藻颗粒与石英、长石等粒度及密度的差异进行分离；离心沉降的目的是利用硅藻土与粘土矿物粒度和胶体性质的差异与粘土矿物分离。