硅基納米復(fù)合材料的制備及其在環(huán)境治理中的應(yīng)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(duì)其進(jìn)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(duì)其應(yīng)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(jī)物廢水的治理成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。作為新興的技術(shù)-光催化在治理污水方面的應(yīng)用日益受到人們的重視。因TiO2具有安全、無(wú)毒、價(jià)廉和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于污水處理。但是由于可見(jiàn)光活性低、以粉末形式應(yīng)用不易回收且易失活,在應(yīng)用過(guò)程中也存在許多問(wèn)題。為

2、了實(shí)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(yīng)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(guò)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(guò)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(duì)樣品進(jìn)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(wú)機(jī)高效復(fù)合絮凝劑-聚合鋁鐵,其對(duì)模擬廢水(4 g/L的高嶺土懸濁液)的絮凝率為88.7％。同時(shí),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(duì)其進(jìn)行了表面改性。采用XRD、FI-IR、TEM、沉降實(shí)驗(yàn)等技術(shù)對(duì)改性產(chǎn)物進(jìn)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(yīng),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(dāng)硅烷偶聯(lián)劑與二氧化硅的質(zhì)量比(mSCA/msilica)為0.05、反應(yīng)時(shí)間為6h時(shí),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(jī)理。
　　 2)本文采用溶膠-凝膠法,常壓干燥制備了SiO2氣凝膠。詳細(xì)研究了水和無(wú)水乙醇的用量、pH值、水解溫度和水解時(shí)間等因素對(duì)SiO2

5、氣凝膠常壓制備的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(dāng)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(shí),經(jīng)過(guò)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(cè)試表明:SiO2氣凝膠具有非晶納米介孔結(jié)構(gòu)。接觸角測(cè)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(fù)合氣凝膠。其中,正硅酸四乙酯、鈦酸四丁酯、無(wú)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(guò)溶劑交換和表面改性,制備的復(fù)合氣凝膠的接觸角為152°。采用TEM、SEM、BET等技術(shù)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征,結(jié)果表明,其具有三維納米孔洞結(jié)構(gòu),比表面積為735 m2/g。以羅丹明B為模型反應(yīng)物,對(duì)催化劑的活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示,復(fù)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(fù)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(duì)復(fù)合氣凝膠光催化劑進(jìn)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(shí),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(yīng)物,進(jìn)行了催化性能測(cè)試。測(cè)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(jiàn)光催化活性。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)

9、了在太陽(yáng)光下光催化劑對(duì)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(duì)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(fù)合光催化劑。在自然光條件下,以亞甲基藍(lán)的光催化氧化為探針?lè)磻?yīng),考察了不同稀土元素?fù)诫s對(duì)樣品光催化活性的影響,樣品活性次序依次為:Ce3+-TiO2/SiO2>Sm3+-