一种活性炭改性的Bi2O3/TiO2吸附型光催化剂及其制备方法和应用
文献发布时间：2024-04-18 19:52:40
技术领域
本发明涉及一种活性炭改性的Bi
背景技术
饮用水安全是人类赖于生存的基本要求，也与人类健康和生命安全紧密相关。而水体中抗生素等典型有机污染物的存在必然会对环境和人类健康造成危害，因此，寻求完全去除水体中抗生素等典型有机污染物的技术对饮用水安全将具有十分重要的意义。
目前有机污染物废水的处理方法主要有以下几种：(1)物理法(活性炭吸附法、膜分离技术、超声波法等)；(2)化学法(电化学、光化学、化学氧化等)；(3)生物法(厌氧处理法、好氧处理法等)。其中生物法以好氧处理法为主，但该法还存在一系列的缺点，如不能有效除去小分子污染物、处理周期过长以及降解效率低下等。而吸附法因其成本效益高、操作简单、去除效率高、易于扩大规模、无有毒副产物等优点，而被认为是净化水体中抗生素等典型有机污染物最有效的方法之一；因此，制备出多孔结构的高效吸附剂如蒙脱石、硅藻土、沸石、粘土材料、金属有机骨架、活性炭、碳材料等就具有极好的应用前景；然而，吸附技术只是将有机污染物从水相转移/转化到吸附剂中，并没有对所吸附的污染物进行任何矿化过程。因此，通过溶剂萃取、酸碱度、洗涤或高温煅烧除去吸附剂所吸附的污染物，以实现吸附剂的再生是必要的，否则其吸附能力将受到极大的限制(如有报道称吸附8次后，氧化石墨烯-硫化钼对抗生素的吸附率只有4％)。尤其是绝大多数吸附剂即使在再生后，其对抗生素等典型有机污染物的去除效率也发生了显著的下降(30％～50％)。更严重的是，达到饱和吸附后的吸附剂和污染物都必须要进行处理，严重限制了吸附剂的广泛应用。因此，发明有效去除抗生素的方法一直是一个非常值得关注的环境问题。
光降解技术由于其环保、高效和低成本等优点，是净化废水中有机污染物的另一个关键技术。其原理是：在光辐射下，半导体光催化剂产生大量的电子/空穴对，其中带正电荷的空穴氧化吸附在表面的污染物，而光生电子还原氧形成超氧自由基后，再实现对污染物如抗生素的降解。然而，由于现有的光催化剂对太阳能的量子效率低、利用率不足，导致其对污染物的矿化程度不理想；与此同时，光催化降解技术还常常伴随着有毒中间体的产生以及二次污染的问题。因此，根据“绿色化学”和“绿色经济”的理念，寻找更加可实用化净化废水中抗生素等典型有机污染物的解决方案，将具有重要的理论意义和实际应用价值。
吸附型光催化剂的研制为净化废水中抗生素等典型有机污染物提供了一种新的思路，其原理是把吸附技术与光催化降解技术结合起来，即利用其吸附性能把污染物从废水中转移至吸附剂中，再利用其光催化降解性能在强光辐射下对所吸附的污染物进行高效矿化，以达到理想的废水净化效果。然而，现有的大多数吸附型光催化剂制备过程复杂、生产成本高，尤其是被吸附在催化剂的有机污染物不能进行高效或完全的光降解和矿化作用，还需借助解吸剂进行后处理再生。因此，开发出一种具有高吸附量和高效光催化降解性能的吸附型光催化剂是解决废水高效净化的关键。
发明内容
本发明的目标在于克服现有技术中的一些问题，提供一种制备简单、价格低廉、性能优异、可大规模生产的高效吸附型光催化剂，该催化剂不仅能吸附废水中大量的有机污染物，而且还能在光辐射下把所吸附的污染物进行高效或完全矿化，达到其再生和循环使用的目的。为了实现以上目标，制备出具有多孔结构的吸附型光催化剂就成为关键。
本发明的目的在于一锅水热合成出活性炭改性的Bi
为实现本发明的目的，本发明首先提供一种活性炭改性的Bi
(1)前驱体溶液配置：将活性炭、钛酸四丁酯、硝酸铋加入去离子水中，在超声下混合均匀，制备出混合溶液。
优选的，步骤(1)中，所述活性炭、钛酸四丁酯、硝酸铋和去离子水的用量分别为0.02～0.4g、0.6～12g、0.3～6g和40～800mL。
本发明的方法，在反应过程中，在保持所述的各物质用量情况下，可进一步把所使用反应釜的容量进行放大(如1,2,4,5,10L等)，而且在保持所使用反应釜容量不变的情况下，活性炭、钛酸四丁酯和硝酸铋的用量也可以进一步提高。
(2)一锅水热反应：将步骤(1)所得到的混合溶液加入到反应容器中，并以一定的升温速率升至一定温度进行水热反应；反应后自然冷却至室温，经抽滤、洗涤、干燥后，制备出活性炭、二氧化钛和铋化合物混合的复合物。
进一步的，所述反应容器为聚四氟乙烯衬底的水热反应釜。
优选的，所述升温速率为1～2℃/min；所述水热反应温度为150～200℃，反应时间6～12h。
(3)活性炭改性的Bi
优选的，步骤(3)中，所述升温速率为1～5℃/min；所述煅烧温度为250～300℃，煅烧时间为8～12h。
优选的，本发明的煅烧过程中，先抽真空至-40kPa后，通空气至30kPa，重复此步骤后再抽真空至-40kPa，再通空气至10kPa，随后以1～2℃/min的升温速率升温至260℃，保温8小时，再自然冷确至室温后，制备出活性炭改性的Bi
本发明还提供一种上述方法制备的活性炭改性的Bi
本发明还提供所述活性炭改性的Bi
进一步的，所述有机污染物包括四环素、罗丹明B、磺胺甲嘧啶、甲基橙。
本发明的活性炭改性的Bi
(1)本发明解决了活性炭在TiO
(2)本发明解决了多孔TiO
(3)本发明解决了TiO
本发明使用五水硝酸铋为p型Bi
本发明所选用的活性炭因具有丰富的孔隙结构和大的比表面积，能大量吸附废水中各种有机污染物；然而，活性炭只能把有机污染物从水相中转移至活性炭中，而无法把所吸附的污染物进行有效的矿化，因此，必须要经过如溶剂萃取、洗涤或高温煅烧等过程除去所吸附的污染物而实现再生循环，导致其应用受限。另一方面，二氧化钛(TiO
本发明的有益效果：
(1)本发明以高比表面积的多孔活性炭为吸附剂，以Bi
(2)本发明通过超声把活性炭、钛酸四丁酯和硝酸铋进行均匀混合，再经一锅水热制备出活性炭改性的Bi
(3)本发明的活性炭改性Bi
(4)本发明的活性炭改性Bi
(5)本发明的活性炭改性Bi
(6)本发明的活性炭改性Bi
(7)本发明的活性炭改性Bi
附图说明
图1是实施例1所制备的活性炭改性Bi
图2是实施例1所制备的活性炭改性Bi
图3是实施例1所制备的活性炭改性Bi
图4实施例1所制备的活性炭改性Bi
图5是以实施例1制备的活性炭改性Bi
图6是以实施例1制备的活性炭改性Bi
图7是以实施例1制备的活性炭改性Bi
图8是以实施例1所制备的活性炭改性Bi
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面对本发明的较佳实施例进行详细的阐述，但是如下实施例并不限制本发明的保护范围。
本发明的实施例中，没有多作说明的都是采用常规实验方法完成，实施例中所涉及过程没有多作说明的都是本领域技术人员根据产品说明书或本领域基础知识可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。
本发明煅烧过程中采用皓越公司1100-304型号煅烧炉为煅烧仪器。
本发明所用的活性炭为商业化颗粒活性碳(分析纯)，其比表面积约为1,339.28m
本发明所用的钛酸四丁酯为98％(质量百分数)的溶液，系国药集团化学试剂有限公司产品。
本发明所用的硝酸铋为五水合硝酸铋，系分析纯，为国药集团化学试剂有限公司产品。
实施例1：活性炭改性的Bi
(1)混合溶液的配置：将0.02g活性炭、0.6g钛酸四丁酯、0.3g五水硝酸铋加入40mL水中，在超声搅拌下使其混合均匀；
(2)一锅水热反应：将步骤(1)配制的混合液加入到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中(50mL)并进行密封，以2℃/min的速率升温至200℃的温度进行水热反应并恒温8h，反应完全后自然冷却至室温，经抽滤、去离子水洗涤和干燥后，得到复合物；
本发明中所涉及的抽滤采用常规抽滤设备能达到抽滤效果即可。
(3)样品处理：将步骤(2)得到的复合物以2℃/min的升温速率升温至260℃煅烧8h，制备出活性炭改性Bi
该实施例所制备的活性炭改性Bi
图4是该实施例所制备的活性炭改性Bi
实施例2：活性炭改性的Bi
(1)混合溶液的配置：将0.4g活性炭、12g钛酸四丁酯、6g五水硝酸铋加入800mL水中，在超声搅拌下使其混合均匀；
(2)一锅水热反应：将步骤(1)配制的混合液加入到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中(1000mL)并进行密封，以2℃/min的速率升温至200℃的温度进行水热反应并恒温8h，反应完全后自然冷却至室温，经抽滤、洗涤和干燥后，得到复合物；
(3)样品处理：将步骤(2)得到的复合物以5℃/min的升温速率升温至260℃煅烧10h，制备出活性炭改性Bi
实施例3：活性炭改性的Bi
(1)混合溶液的配置：将0.2g活性炭、6g钛酸四丁酯、3g五水硝酸铋加入400mL水中，在超声搅拌下使其混合均匀；
(2)一锅水热反应：将步骤(1)配制的混合液加入到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中(500mL)并进行密封，以1℃/min的速率升温至190℃的温度进行水热反应并恒温10h，反应完全后自然冷却至室温，经抽滤、洗涤和干燥后，得到复合物；
(3)样品处理：将步骤(2)得到的复合物以3℃/min的升温速率升温至280℃煅烧8h，制备出活性炭改性Bi
实施例4：活性炭改性的Bi
(1)混合溶液的配置：将0.02g活性炭、0.6g钛酸四丁酯、0.3g五水硝酸铋加入40mL水中，在超声搅拌下使其混合均匀；
(2)一锅水热反应：将步骤(1)配制的混合液加入到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中(50mL)并进行密封，以2℃/min的速率升温至200℃的温度进行水热反应并恒温8h，反应完全后自然冷却至室温，经抽滤、去离子水洗涤和干燥后，得到复合物；
本发明中所涉及的抽滤采用常规抽滤设备能达到抽滤效果即可。
(3)样品处理：将步骤(2)得到的复合物以5℃/min的升温速率升温至260℃煅烧10h，制备出活性炭改性Bi2O3/TiO2吸附型光催化剂。
实施例5：活性炭改性的Bi
以实施例1所制备的活性炭改性Bi
图5是以实施例1所制备的活性炭改性Bi
实施例6：活性炭改性的Bi
以实施例1所制备的活性炭改性Bi
图6是以实施例1所制备的活性炭改性Bi
实施例7：
以实施例1所制备的活性炭改性Bi
图7是以实施例1所制备的活性炭改性Bi
实施例8：
以实施例1所制备的活性炭改性Bi
图8是以实施例1所制备的活性炭改性Bi
实施例9：
以实施例1所制备的活性炭改性Bi
实施例10：
以实施例1所制备的活性炭改性Bi
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。