[发明专利]一种用于污水处理的顺磁性光催化材料及制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种用于污水处理的顺磁性光催化材料及制备方法，属于环境污水处理技术领域。

背景技术

在水处理方法中，混凝沉淀法作为一种有效且成本较低的水处理方法被广泛采用。主要应用在各种污水和废水处理中，除去水中的悬浮物、胶体粒子，降低COD，还可除去水中的细菌、病毒，并兼有除磷、脱色、除臭，减轻水体富营养化，保护水资源，确保生物体健康，促进国民持续发展。磁絮凝就是利用外加磁场的作用增强絮凝以达到高效沉降和过滤的目的，其原理是向污水中投加磁种和絮凝剂，依靠絮凝剂的亲和作用促进絮凝剂，磁种颗粒，悬浮颗粒三者相互吸引，从而形成具有一定磁性的絮体，再利用磁场对磁性絮体进行分离，从而加速废水的净化，并实现对磁种的回收。 

光催化材料大多是金属氧化物或硫化物等半导体材料，其光催化活性与能带的不连续性有关。半导体的低能价带（vb）和高能价带（cb）之间存在一个禁带，当受到等于或大于带隙能量的光照射时，价带电子呗激发到导带上，带导带上产生高活性电子，在价带上产生带正电荷的空穴，从而形成电子-空穴对(electron/hole pairs，e^-/h⁺)，进而生成羟基自由基等活性基团，可以氧化相邻的有机物，同时光生e^-和h⁺也会直接和有机污染物反应，并使之扩散到液相中。

现有的一种光催化剂为TiO₂，因其化学稳定性高、耐光腐蚀、对人体无害而备受青睐。目前TiO₂在饮用水处理、工业废水处理、空气净化、杀菌等工程方面的研究取得了较大进展。

近年来，涉及光催化的专利以下：如“高吸附性光催化剂及载体材料”（专利号 CN 1410159A），提高吸附性能获得催化剂的良好催化性能，但以粉末为催化剂的光催化氧化法存在催化剂分离回收的问题。如专利“磁性光催化剂”（专利号 CN 101695660A），催化性能和回收效果较好，但在污水混凝处理中没有涉及。如专利“光磁污水处理装置及方法”（专利号 CN 101618918A），此装置中光催化剂回收利用率低。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，突破已有材料功能单一的弱点，提供一种顺磁性光催化材料，在紫外光照射下可用于催化降解污水中有机污染物，在混凝过程中作为磁种加速絮凝沉淀，并在磁场作用下实现顺磁性光催化材料的分离回收，循环利用，降低运行成本。

本发明可通过如下方法实现：

一种顺磁性光催化材料，将TiO₂负载到磁基体Fe₃O₄/SiO₂上，其中的TiO₂、SiO₂、Fe₃O₄摩尔比为（3~6）:（2~3）：1。

    制备上述一种顺磁性光催化材料的方法，是先利用溶胶-凝胶法制备单分散球型纳米Fe₃O₄/SiO ₂颗粒，然后再利用溶胶-凝胶法，通过水解、聚合，使TiO₂包裹Fe₃O₄/SiO ₂颗粒后煅烧而成成品。

制备上述一种顺磁性光催化材料的方法，具体按照下述步骤进行：

（1）磁基体Fe₃O₄/SiO₂的制备：将硅酸乙酯、乙醇、去离子水按体积比4:3:2配置成溶液A，按照SiO ₂和Fe₃O₄摩尔比2-3:1将Fe₃O₄放入溶液A中，搅拌30min，并控制pH=1左右得到较稳定的溶胶，将所获溶胶在室温下静置数天直到湿凝胶产生，再于105℃真空干燥48h得到干凝胶。研磨后分别在不同温度条件下煅烧30min得到Fe₃O₄/SiO₂复合物；

（2）溶胶-凝胶液的制备：按照体积比1：1将乙酸加入到去离子水中并调节pH=3，冰水浴搅拌6min得到溶液B，按照体积比1：1取异丙醇和钛酸丁酯混合均匀得到溶液C，将上述C溶液缓慢地滴加到B溶液中，整个过程都在机械搅拌条件下进行，持续搅拌12h，得到溶胶-凝胶液；其中C溶液与B溶液的体积比为2/25-3/40；