[发明专利]一种污泥负载TiO2可见光光催化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环境催化材料领域，涉及污泥的资源化利用和可用于污染物降解的污泥负载TiO₂可见光光催化材料的制备方法。

背景技术

“十二五”以来，我国污水处理能力及处理率迅速增长，污水处理市场已从设施建设向运营转变，而随着运营市场的完善，随之而来的就是污泥问题的凸显。预测到2015年，全年城镇污水处理厂湿污泥（含水率80%）产生量将达到3359万吨。传统的污泥处理方法，如土地填埋、露天堆放和外运等方式已经无法适应日趋严格的污泥处理处置标准，因此，开发新的可能的污泥资源化利用方法具有重要的环境意义和经济价值。

TiO₂光催化氧化技术因其无毒、廉价和高活性的特点近年来成为环境领域的热点，是一种具有重要应用前景的污染处理方法。在水相反应体系中，TiO₂在光激发下发生电子跃迁，产生具有还原性的“光生电子”和具有强氧化性的“光生空穴”，并与外界的不同组分发生氧化或还原反应，即光催化过程。但是TiO₂在光激发下发生电子跃迁所产生光生电子和光生空穴能够快速再复合，从而限制了后面的催化氧化反应的进行，降低了TiO₂光催化的量子效率，这是光催化技术实际应用的限制因素。一般认为锐钛矿和金红石晶型TiO₂具有光催化性能，它们的禁带宽度分别是3.2 eV和3.0 eV，对应的光激发阀值分别是387 nm和413 nm，都位于紫外区，即TiO₂基本对可见光没有响应，从而无法实现对太阳能的有效转化和利用，这也是阻碍TiO₂光催化剂广泛应用的一个重要因素。

污泥中含有一定的金属和重金属、SiO₂和有机固体，以污泥为载体制备的TiO₂光催化材料相比普通TiO₂光催化材料，有以下三方面性能优势：第一，以污泥中的重金属作为掺杂，可加快电子和空穴的分离速率，相对地降低光生电子和光生空穴的复合速率，提高催化效率，并且能够将二氧化钛的光响应范围扩展到可见光区域；第二，污泥中富含的多孔介质SiO₂，负载TiO₂后，可以有效地阻止其聚团，提高催化材料的比表面积；第三，污泥中的有机固体在该催化材料制备过程中能够产生孔洞结构，有利于促进形成催化材料的中孔-介孔双孔结构。 

目前，通过负载、掺杂和改性等方式制备TiO₂光催化材料的方法较多，多数方法所制备的TiO₂光催化材料具有特定的结构和性能，有别于污泥负载TiO₂可见光光催化材料，另外，多数方法存在成本较高或步骤复杂等缺点。本发明将公开一种稳定、高效、成本低、易推广的污泥负载TiO₂可见光光催化材料及其制备方法。

发明内容

 本发明的目的在于充分利用污泥中的金属、重金属、SiO₂和有机固体等成分，提供一种稳定、高效、成本低、易推广的污泥负载TiO₂可见光光催化材料的制备方法。

本发明的技术方案是：利用污泥作为天然载体的优势，将其中的金属、重金属和SiO₂等无机成分充分分离，并保留污泥中的部分有机成分以固体形态存在，使从污泥主体中分离出来的金属和重金属能够在后续制备过程中作为掺杂存留在催化材料中，使SiO₂和有机固体在后续制备过程中分别能够作为载体和促进形成孔状结构。然后，通过高温煅烧形成由C、P、S、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、Cr、Cu、Fe等元素构成的多孔结构负载TiO₂的可见光光催化材料。

 本发明提出的污泥负载TiO₂可见光光催化材料的制备方法是：首先，用酸将污泥中的部分金属、重金属和无机物溶出，同时溶解钛盐前驱体；然后，在一定压力和温度条件下通过水热反应形成纳米TiO₂，进行重金属掺杂以及与载体的结合；最后，通过一定温度下空气气氛煅烧形成TiO₂结晶，并去除污泥载体中的结合水和有机质，形成污泥负载TiO₂可见光光催化材料。具体步骤如下：