硅基納米復合材料的制備及其在環(huán)境治理中的應用.pdf

1、粉煤灰和煤矸石作為一種大宗工業(yè)固體廢棄物,對其進行資源化回收和綜合利用一直是科研和工程界的難題。但是,目前對其應用主要還是集中在中低層次。隨著環(huán)境污染的加重,水污染的治理尤其是含有機物廢水的治理成為當今世界關注的熱點問題。作為新興的技術-光催化在治理污水方面的應用日益受到人們的重視。因TiO2具有安全、無毒、價廉和無二次污染等優(yōu)點,被廣泛應用于污水處理。但是由于可見光活性低、以粉末形式應用不易回收且易失活,在應用過程中也存在許多問題。為

2、了實現(xiàn)粉煤灰和煤矸石的高層次利用,本文以其為原料制備了納米SiO2和聚合鋁鐵。此外,本文還采用新的制備工藝合成了廣泛應用于環(huán)境治理的SiO2氣凝膠和氣凝膠光催化劑。取得的創(chuàng)新成果主要包括:
　　 1)以煤矸石或粉煤灰和氟化氫為原料,利用氣相-液相法制備了納米二氧化硅。通過有效控制氟化氫的通入速度和四氟化硅的水解速度,并加入乙醇為分散劑,得到了納米二氧化硅粉體。通過X射線粉末衍射(XRD)、紅外光譜分析(FI-IR)和透射電鏡(T

3、EM)等方法對樣品進行了表征。結(jié)果表明制備的納米二氧化硅粉體呈球形、粒徑分布范圍為15～20nm,純度高于99.95％。此外,還制備了無機高效復合絮凝劑-聚合鋁鐵,其對模擬廢水(4 g/L的高嶺土懸濁液)的絮凝率為88.7％。同時,以粉煤灰或煤矸石制備的二氧化硅為原料,采用五種不同的硅烷偶聯(lián)劑(KH550/KH560/KH570/KH580/KH590)對其進行了表面改性。采用XRD、FI-IR、TEM、沉降實驗等技術對改性產(chǎn)物進行了表

4、征,結(jié)果表明:硅烷偶聯(lián)劑與二氧化硅表面的羥基發(fā)生了反應,改性后,納米二氧化硅的分散性和表面疏水性大大提高。以KH560為例,當硅烷偶聯(lián)劑與二氧化硅的質(zhì)量比(mSCA/msilica)為0.05、反應時間為6h時,納米二氧化硅的平均粒徑最小,改性效果也最好；并分析了硅烷偶聯(lián)劑與二氧化硅的改性機理。
　　 2)本文采用溶膠-凝膠法,常壓干燥制備了SiO2氣凝膠。詳細研究了水和無水乙醇的用量、pH值、水解溫度和水解時間等因素對SiO2

5、氣凝膠常壓制備的影響。通過實驗確定了SiO2氣凝膠制備的最佳工藝參數(shù)。以正硅酸乙酯為原料,通過酸(草酸)-堿(氨水)兩步催化,采用溶膠-凝膠法常壓干燥制備了疏水型介孔SiO2氣凝膠。結(jié)果表明:當正硅酸四乙酯、乙醇、草酸、氨水的摩爾比為1:4:5:0.2,草酸和氨水的濃度分別為0.008,0.5 mol/L時,經(jīng)過二甲基二氯硅烷和六甲基二硅胺烷改性的SiO2氣凝膠比表面積分別為762.56和765.27 m2/g。透射電鏡、掃描電鏡、粉末

6、X射線衍射和Brunauer-Emmett-Teller測試表明:SiO2氣凝膠具有非晶納米介孔結(jié)構。接觸角測定和Fourier轉(zhuǎn)換紅外光譜分析表明:SiO2氣凝膠表面的羥基被甲基取代,與水的接觸角分別為152.1°和148°,表現(xiàn)出疏水性。
　　 3)采用溶膠-凝膠法,常壓干燥制備了疏水型SiO2/TiO2復合氣凝膠。其中,正硅酸四乙酯、鈦酸四丁酯、無水乙醇、草酸、氨水的摩爾比為1:1:8:5:0.2,草酸和氨水的濃度分別為0

7、.008和0.5 mol/L。通過溶劑交換和表面改性,制備的復合氣凝膠的接觸角為152°。采用TEM、SEM、BET等技術對產(chǎn)物進行了表征,結(jié)果表明,其具有三維納米孔洞結(jié)構,比表面積為735 m2/g。以羅丹明B為模型反應物,對催化劑的活性進行了評價。結(jié)果顯示,復合光催化劑具有較高的催化能力,且容易從廢水體系中回收,是潛在的、有效的污水處理光催化劑。
　　 以正硅酸乙酯、鈦酸丁酯和硝酸銪為原料,采用溶膠-凝膠法制備了不同硅/鈦比

8、銪摻雜SiO2/TiO2復合氣凝膠光催化劑。采用XRD,TEM,SEM,EDX,UV-VIS DRS,FTIR和BET等表征手段對復合氣凝膠光催化劑進行了表征,結(jié)果顯示,光催化劑具有大的比表面積且二氧化鈦為銳鈦礦相。硅/鈦比為1時,光催化劑的平均粒徑為10 nm,并且表面有甲基存在。以10 mg/L的羅丹明B水溶液為模型反應物,進行了催化性能測試。測試結(jié)果顯示,與未摻雜銪的光催化劑相比,銪摻雜光催化劑具有更高的可見光催化活性。實驗也證實

9、了在太陽光下光催化劑對橙黃Ⅱ也具有高的吸附效率和降解效率。光照3 h后,光催化劑對橙黃Ⅱ的脫色效率為88.5％。
　　 本文還以正硅酸乙酯、鈦酸丁酯為原料,采用溶膠-凝膠法低溫制備了四種稀土(Sm3+,Nd3+,Ce3+和pr3+)摻雜銳鈦礦型TiO2/SiO2復合光催化劑。在自然光條件下,以亞甲基藍的光催化氧化為探針反應,考察了不同稀土元素摻雜對樣品光催化活性的影響,樣品活性次序依次為:Ce3+-TiO2/SiO2>Sm3+-