[发明专利]一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及可用于废气和废水处理的吸附和光催化材料，尤其涉及一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂、其制备方法及用途。

背景技术

随着经济的快速发展，工业废水废气大量排放，其中过量的重金属和有机物造成环境的严重破坏。此外，清洁水源日益短缺，地下水和地表水均受到不同程度的污染，水的净化去除重金属、有机物质以及其它微污染也势在必行。目前常用的重金属废水处理技术有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、吸附法和生物法等，而有机废水的处理方法主要通过高级氧化法将水体中的有机污染物进行矿化分解成无机小分子。

吸附法由于操作简便、吸附效果好、无二次污染等优点而倍受关注。而吸附技术中最重要的是吸附剂的选择，纳米材料由于其本身的优良物理化学性质，成为吸附过程中最常用的吸附剂之一；高级氧化技术中的光催化氧化技术由于其高效性而受到广泛关注。常用的光催化剂为半导体材料，在各种半导体光催化剂中，二氧化钛作为一种典型的N型半导体，因其无毒、廉价、性能稳定、光催化性能高、对污染物中的有机物降解无选择性等优点，成为具有广阔应用前景的光催化剂。纳米材料在实际水处理过程中易团聚导致其活性降低，并且在固定床应用中易流失，给分离和回收利用带来困难，同时对生态环境和人类健康造成一定的危害。因此通过某种较强的作用力将纳米颗粒固定到某种基材上，可以使问题得到解决。然而，该方面的公开专利较少。

目前现有的材料，较难同时实现吸附重金属及有机污染物，并将其氧化还原降解。因此，基于以上问题，我们通过选择天然高分子材料作为基底，将纳米二氧化钛负载在基底表面形成二氧化钛聚合物复合材料，并进一步将制备的二氧化钛聚合物复合材料进行碳化处理制备二氧化钛基多孔碳纤维。该碳化过程无需采用有机试剂等极性活化处理，仅通过碳化便能实现多孔活性碳纤维结构，该方法可以实现降低能耗、绿色环保的目的。同时这样的复合材料不仅改善了纳米颗粒在实际应用过程中存在的流失、团聚等问题，而且同时实现了吸附重金属及有机物，并进行光催化降解的目的，对解决水污染具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，所述制备方法无需预处理和活化过程，简单高效、成本低廉、绿色环保，所述制备方法制备的到的催化剂比表面积大，吸附能力强，光催化效率高，在空气净化、水净化、有机物吸附及光催化等领域具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明目的之一在于提供一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将二氧化钛负载于聚合物纤维上，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料；

(2)将步骤(1)得到的二氧化钛/聚合物纤维复合材料在保护气体下碳化，得到二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述的聚合物纤维包括纤维素纤维、壳聚糖纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：纤维素纤维和壳聚糖纤维的组合、壳聚糖纤维和聚丙烯纤维的组合、聚丙烯纤维和聚酯纤维的组合、聚酯纤维和纤维素纤维的组合或纤维素纤维、壳聚糖纤维和聚丙烯纤维的组合等。

优选地，步骤(1)所述二氧化钛/聚合物纤维复合材料中二氧化钛的质量分数为1～30wt％，聚合物纤维的质量分数为70～99wt％。

其中二氧化钛的质量分数可以是1wt％、2wt％、5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％、18wt％、20wt％、22wt％、25wt％、28wt％或30wt％等；聚合物纤维的质量分数可以是70wt％、72wt％、78wt％、80wt％、82wt％、85wt％、88wt％、90wt％、92wt％、95wt％、98wt％或99wt％等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述将二氧化钛负载于聚合物纤维上的方法包括以下步骤：

(a)将聚合物纤维分散于溶剂中，调节pH，得到聚合物纤维分散液；

(b)向步骤(a)得到的聚合物纤维分散液中加入二氧化钛前驱体溶液，得到混合液；

(c)将步骤(b)得到的混合液加热反应，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料。

作为本发明优选的技术方案，步骤(a)所述pH≤5，如0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。