負(fù)載納米二氧化鈦薄膜的活性炭纖維及其制備方法和用途與流程

本發(fā)明涉及一種活性炭纖維負(fù)載均勻無(wú)裂紋、附著力強(qiáng)、薄膜厚度可控的致密納米二氧化鈦薄膜及其制備方法，以及該負(fù)載納米二氧化鈦薄膜的活性炭纖維用于光催化氧化水處理和空氣處理的用途。

背景技術(shù)：

活性炭纖維(ACF)是一種具有高效吸附活性的環(huán)保吸附材料，繼粒狀活性炭和粉狀活性炭之后的第三代活性炭產(chǎn)品?；钚蕴坷w維表面具有豐富的空介結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散路徑較短，其主要由2.0nm微孔組成，活性炭纖維直徑范圍為10～13μm，具有較大的吸附接觸面積，吸附效率高。活性炭纖維的比表面大，吸附和脫附量大，可以有效吸附處理較寬濃度范圍的氣體和液體污染源。活性炭纖維被廣泛應(yīng)用在揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和水處理凈化等方面。但是，活性炭纖維在實(shí)際應(yīng)用中吸附達(dá)到飽和狀態(tài)后，需進(jìn)行脫附處理活性炭纖維再生過(guò)程，常見(jiàn)的脫附過(guò)程有物理脫附過(guò)程和化學(xué)脫附過(guò)程。物理脫附過(guò)程效率低成本高，綜合價(jià)值低；化學(xué)脫附過(guò)程是利用被吸附的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到脫附的一種手段。高效率的脫附過(guò)程使得活性炭纖維活性位再生是擴(kuò)大該吸附材料應(yīng)用范圍的有效手段。同時(shí)后段的脫附活化在一定程度上限制了活性炭纖維應(yīng)用。

二氧化鈦是一種寬禁帶半導(dǎo)體，常見(jiàn)的晶型有銳鈦礦、板鈦礦和金紅石三種。納米二氧化鈦半導(dǎo)體具有良好的穩(wěn)定性和分散性，在光電子能照射下具有很強(qiáng)的氧化還原能力，成為促使各種有機(jī)物降解的光觸媒催化劑，在光降解揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和水處理方面發(fā)揮很大的作用。其紫外光響應(yīng)光催化應(yīng)用已擴(kuò)展到新能源如太陽(yáng)能敏化電池方面的應(yīng)用，其具有更加廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。一維粉末納米TiO₂存在易團(tuán)聚、難回收等缺點(diǎn)，甚至產(chǎn)生二次污染，限制了TiO₂半導(dǎo)體材料的應(yīng)用。目前TiO₂半導(dǎo)體研究方向主要是降低TiO₂半導(dǎo)體禁帶寬度和改善TiO₂結(jié)構(gòu)形態(tài)。

發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N03100058.4和專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N02147089.8分別提出在光滑的玻璃表面制備納米二氧化鈦薄膜，其采用傳統(tǒng)的反膠束法制備透明二氧化鈦薄膜，存在鈦離子濃度低、難以有效控制納米二氧化鈦晶核生長(zhǎng)以及對(duì)基底選擇應(yīng)用存在一定限制，使得在微米級(jí)的ACF表面不易形成均勻致密結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的納米薄膜；專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N200710013501.3中采用溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦薄膜，一定程度上存在納米二氧化鈦顆粒的團(tuán)聚和脫落，難以在A(yíng)CF表面形成均勻、厚度可控的納米氧化鈦薄膜；發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N201510635983.0采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)活性炭纖維表面進(jìn)行改性，然后在二氧化鈦前驅(qū)體溶膠中浸漬得到TiO₂/ACF復(fù)合材料，其缺點(diǎn)是無(wú)法在A(yíng)CF上制備得到納米二氧化鈦薄膜，ACF表面的二氧化鈦顆粒發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。為改善TiO₂薄膜在A(yíng)CF表面的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)，本發(fā)明提出了一種原位誘導(dǎo)反膠束法制備得到活性炭纖維負(fù)載均勻無(wú)裂紋、附著力強(qiáng)、薄膜厚度可控的致密納米二氧化鈦薄膜的光催化復(fù)合材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種活性炭纖維表面負(fù)載均勻無(wú)裂紋、附著力強(qiáng)、薄膜厚度可控的致密納米二氧化鈦薄膜復(fù)合光催化材料，在活性炭纖維表面負(fù)載均勻穩(wěn)定的納米二氧化鈦薄膜的制備方法和該負(fù)載納米二氧化鈦薄膜的活性炭纖維在光催化氧化方面的應(yīng)用，優(yōu)選TiO₂/ACF復(fù)合材料凈化空氣的應(yīng)用。

本發(fā)明的活性碳纖維表面負(fù)載無(wú)裂紋的納米二氧化鈦薄膜復(fù)合光催化材料，解決了活性炭纖維吸附過(guò)飽和問(wèn)題，結(jié)合納米二氧化鈦光催化氧化還原性質(zhì)降解活性炭表面吸附的有機(jī)物從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)脫附過(guò)程。獲得可循環(huán)利用的TiO₂/ACF納米復(fù)合光催化材料，用于吸附降解揮發(fā)性有機(jī)物實(shí)現(xiàn)空氣凈化和水處理。

本發(fā)明的活性炭纖維負(fù)載均勻無(wú)裂紋、附著力強(qiáng)、薄膜厚度可控的致密納米二氧化鈦薄膜復(fù)合材料可通過(guò)原位誘導(dǎo)反膠束法制備，并負(fù)載到不同形貌和材質(zhì)的活性炭纖維材料上。

本發(fā)明負(fù)載納米二氧化鈦薄膜的活性炭纖維復(fù)合材料的制備包括如下步驟：

(1)配制反膠束體系。在反膠束體系中按摩爾比水：表面活性劑為0.9～1.8加入環(huán)己烷中，攪拌90min后超聲波中處理60min，制得熱力學(xué)穩(wěn)定的反膠束體系。

(2)配制活性位透明膠束。鈦酸丁酯加入異戊醇中形成鈦酸丁酯體積分?jǐn)?shù)為30％的鈦酸丁酯異戊醇溶液，依次添加二乙醇胺和水，制得活性位透明膠束；所述水用量按摩爾比為鈦酸丁酯的2倍；二乙醇胺：水的摩爾比為0.6～1.7。

(3)將上述(2)的活性位透明膠束加入至上述(1)的反膠束體系中，制得具有活性位的反膠束微乳；補(bǔ)加鈦酸丁酯，其用量為(1)中水的摩爾量的1/2；透明膠束溶液與反膠束的體積比為0.1033～0.4827；所得原位誘導(dǎo)反膠束微乳中鈦離子濃度為0.15～0.31mol/L。

(4)活性炭纖維在去離子水中浸泡再經(jīng)超聲波震蕩清洗，清洗完成后在溫度為70～100℃完全烘干，浸入配制好的原位誘導(dǎo)反膠束微乳溶液中，浸漬5～20min后，得到負(fù)載二氧化鈦前驅(qū)體的活性炭纖維。將浸漬好的活性炭纖維在100℃下保溫30min，最后轉(zhuǎn)移至氮?dú)夥諊母邷貭t中升溫至450～800℃進(jìn)行焙燒活化，制得TiO₂/ACF納米復(fù)合光催化材料。

本發(fā)明所述的活性炭纖維是粘膠基纖維、瀝青基纖維、酚醛基纖維、纖維素纖維、聚丙烯腈纖維等。

為了更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，步驟(2)二乙醇胺：鈦酸丁酯的摩爾比為1.2～3.4，得到更加穩(wěn)定的原位誘導(dǎo)反膠束微乳溶液。

通過(guò)改變步驟(4)中活性炭纖維在原位誘導(dǎo)反膠束微乳溶液中的浸漬時(shí)間和次數(shù)，可以在活性炭纖維表面負(fù)載不同厚度的納米二氧化鈦薄膜，從而實(shí)現(xiàn)控制納米薄膜厚度以滿(mǎn)足在不同材質(zhì)和形貌的活性炭纖維吸附材料表面上鍍膜。

在干燥和焙燒活化過(guò)程中，保持低的升溫速率有利于形成表面均勻無(wú)裂紋的納米二氧化鈦薄膜，尤其是在焙燒活化升溫過(guò)程中，要嚴(yán)格控制升溫速率在4～6℃，并有氮?dú)夥諊Ｗo(hù)。

本發(fā)明所述的活性炭纖維負(fù)載納米二氧化鈦薄膜復(fù)合光催化材料是由上述制備方法制備而成。

本發(fā)明所述的活性炭纖維負(fù)載納米二氧化鈦薄膜復(fù)合光催化材料具有光催化凈化空氣和水處理用途。

本發(fā)明與現(xiàn)有在活性炭纖維上負(fù)載納米二氧化鈦薄膜技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明在反膠束微乳法的基礎(chǔ)上提出添加活性位誘導(dǎo)工藝過(guò)程，得到了穩(wěn)定性好的二氧化鈦前驅(qū)體原位誘導(dǎo)反膠束溶液，解決了原來(lái)微乳法的鈦離子濃度低的缺點(diǎn)，提高了二氧化鈦前驅(qū)體在活性炭纖維表面上的負(fù)載率。

2.將納米二氧化鈦半導(dǎo)體的光催化氧化還原作用同活性炭纖維的高吸附能力相結(jié)合，提高了活性炭纖維活性吸附活性和使用壽命。

3.該方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)備要求較低，可滿(mǎn)足在不同材質(zhì)和形狀的基底材料表面上浸漬鍍膜。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合光催化材料的掃描電子顯微鏡SEM圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2復(fù)合光催化材料的掃描電子顯微鏡SEM圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2復(fù)合光催化材料的XRD圖譜。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3復(fù)合光催化材料的掃描電子顯微鏡SEM圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例4復(fù)合光催化材料的掃描電子顯微鏡SEM圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例4復(fù)合光催化材料的XRD圖譜。

圖7為實(shí)施例5復(fù)合材料光催化性能評(píng)價(jià)自制反應(yīng)器裝置示意圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1所得復(fù)合光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)有機(jī)溶液的光催化降解曲線(xiàn)。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2所得復(fù)合光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)有機(jī)溶液的光催化降解曲線(xiàn)。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例3所得復(fù)合光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)有機(jī)溶液的光催化降解曲線(xiàn)。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例4所得復(fù)合光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)有機(jī)溶液的光催化降解曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明工藝過(guò)程做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

在磁力攪拌(25℃)條件下，將20.4ml Triton X-100添加到179ml環(huán)己烷中，20min后再緩慢的加入0.8ml的去離子水。超聲波60min使其進(jìn)一步分散，形成乳白色熱力學(xué)穩(wěn)定的反膠束體系，靜置6h，得到三組分熱力學(xué)穩(wěn)定的油包水(W/O)型的反膠束體系。

在磁力攪拌下，將5ml鈦酸丁酯(TBOT)滴加到11.7ml異戊醇，制得TBOT體積濃度30％的鈦酸丁酯異戊醇溶液，繼續(xù)攪拌并添加3.5ml二乙醇胺(DEA)，完全混合后，滴加0.5ml去離子水進(jìn)行水解。將配置好的透明膠束在磁力攪拌條件下緩慢滴加到穩(wěn)定的反膠束體系中，反膠束體系由原來(lái)的乳白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色透明體系，添加7.8ml鈦酸丁酯，形成微黃色的透明原位誘導(dǎo)反膠束。最終制備得到鈦離子濃度為0.15mol/L的原位誘導(dǎo)反膠束。

在制備得到的原位誘導(dǎo)反膠束溶液中浸泡預(yù)處理好的活性炭纖維氈或活性炭纖維布5min，然后100℃干燥30min，轉(zhuǎn)移至通有氮?dú)獗Ｗo(hù)的高溫管式爐中升溫至450℃并保溫120min，制得活性炭纖維負(fù)載銳鈦礦型和金紅石型納米二氧化鈦薄膜的復(fù)合光催化材料，其電子顯微鏡照片見(jiàn)附圖1。

實(shí)施例2

在磁力攪拌(25℃)條件下，將30.6ml Triton X-100添加到168ml環(huán)己烷中，20min后再緩慢的加入1.2ml的去離子水。超聲波攪拌60min，形成乳白色熱力學(xué)穩(wěn)定的反膠束體系，靜置6h，得到三組分熱力學(xué)穩(wěn)定的油包水(W/O)型的反膠束體系。

在磁力攪拌下，將10ml鈦酸丁酯滴加到23.3ml異戊醇，制得TBOT體積分?jǐn)?shù)30％的鈦酸丁酯異戊醇溶液，繼續(xù)攪拌并添加15.3ml二乙醇胺(DEA)，完全混合后，滴加1.022ml去離子水進(jìn)行水解。將配置好的透明膠束在磁力攪拌條件下緩慢滴加到穩(wěn)定的反膠束體系中，反膠束體系由原來(lái)的乳白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色透明體系，添加7.8ml鈦酸丁酯，形成微黃色的透明原位誘導(dǎo)反膠束。最終制備得到鈦離子濃度為0.24mol/L的原位誘導(dǎo)反膠束。

在制備得到的原位誘導(dǎo)反膠束溶液中浸泡預(yù)處理好的活性炭纖維氈或活性炭纖維布5min，然后100℃干燥30min，轉(zhuǎn)移至通有氮?dú)獗Ｗo(hù)的高溫管式爐中升溫至500℃并保溫120min，制得活性炭纖維負(fù)載銳鈦礦型和金紅石型納米二氧化鈦薄膜的復(fù)合光催化材料，其電子顯微鏡照片見(jiàn)附圖2，XRD圖譜見(jiàn)附圖3。

實(shí)施例3

在磁力攪拌(25℃)條件下，將30.6ml Triton X-100添加到178ml環(huán)己烷中，20min后再緩慢的加入1.2ml的去離子水。超聲波攪拌60min，形成乳白色熱力學(xué)穩(wěn)定的反膠束體系，靜置6h，得到三組分熱力學(xué)穩(wěn)定的油包水(W/O)型的反膠束體系。

在磁力攪拌下，將15ml鈦酸丁酯(TBOT)滴加到35ml異戊醇制得TBOT體積濃度30％的鈦酸丁酯異戊醇溶液，繼續(xù)攪拌并添加8.2ml二乙醇胺(DEA)，完全混合后，滴加1.5ml去離子水進(jìn)行水解。將配置好的透明膠束在磁力攪拌條件下緩慢滴加到穩(wěn)定的反膠束體系中，反膠束體系由原來(lái)的乳白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色透明體系，添加7.8ml鈦酸丁酯，形成微黃色的透明原位誘導(dǎo)反膠束。最終制備得到鈦離子濃度為0.28mol/L的原位誘導(dǎo)反膠束。

在制備得到的原位誘導(dǎo)反膠束溶液中浸泡預(yù)處理好的活性炭纖維氈或活性炭纖維布5min，然后100℃干燥30min，最后轉(zhuǎn)移至通有氮?dú)獗Ｗo(hù)的高溫管式爐中升溫至600℃并保溫120min，制得活性炭纖維負(fù)載銳鈦礦型和金紅石型納米二氧化鈦薄膜的復(fù)合光催化材料，其電子顯微鏡照片見(jiàn)附圖4。

實(shí)施例4

在磁力攪拌(25℃)條件下，將30.6ml Triton X-100添加到118ml環(huán)己烷中，20min后再緩慢的加入1.2ml的去離子水。超聲波攪拌60min，形成乳白色熱力學(xué)穩(wěn)定的反膠束體系，靜置6h，得到三組分熱力學(xué)穩(wěn)定的油包水(W/O)型的反膠束體系。

在磁力攪拌下，將10ml鈦酸丁酯(TBOT)滴加到23.3ml異戊醇制得TBOT體積濃度30％的鈦酸丁酯異戊醇溶液，繼續(xù)攪拌并添加2.7ml二乙醇胺(DEA)，完全混合后，最后滴加1.022ml去離子水進(jìn)行水解。將配置好的透明膠束在磁力攪拌條件下緩慢滴加到穩(wěn)定的反膠束體系中，反膠束體系由原來(lái)的乳白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色透明體系，添加7.8ml鈦酸丁酯，形成微黃色的透明原位誘導(dǎo)反膠束。最終制備得到鈦離子濃度為0.31mol/L的原位誘導(dǎo)反膠束。

在制備得到的原位誘導(dǎo)反膠束溶液中浸泡預(yù)處理好的活性炭纖維氈或活性炭纖維布5min，然后100℃干燥30min，最后轉(zhuǎn)移至通有氮?dú)獗Ｗo(hù)的高溫管式爐中升溫至800℃并保溫120min，制得活性炭纖維負(fù)載金紅石型納米二氧化鈦薄膜的復(fù)合光催化材料，其電子顯微鏡照片見(jiàn)附圖5，XRD圖譜見(jiàn)附圖6。

實(shí)施例5：TiO₂/ACF復(fù)合材料的光催化氧化活性的測(cè)試

采用亞甲基藍(lán)模擬液體有機(jī)污染物測(cè)定復(fù)合材料的光催化性能。

采用相同實(shí)驗(yàn)條件測(cè)試不同實(shí)施例下得到的復(fù)合材料光催化性能，分別分為四組測(cè)試其亞甲基藍(lán)降解率。在紫外燈照射下，對(duì)亞甲基藍(lán)有機(jī)溶液的降解表征實(shí)施例1～4所制備的負(fù)載納米二氧化鈦薄膜的活性炭纖維復(fù)合材料的光催化氧化活性。具體步驟如下：采用自制的簡(jiǎn)單反應(yīng)器(紫外燈管套入石英玻璃管中，TiO₂/ACF復(fù)合光催化材料固定在石英管壁，催化劑同石英管插入反應(yīng)液面中)，詳見(jiàn)附圖7，圖中1、2、3和4分別為波長(zhǎng)為320nm紫外燈、燒杯、磁力攪拌機(jī)和防護(hù)外殼。

在400ml燒杯濃度為8mg/L亞甲基藍(lán)有機(jī)溶液中加入實(shí)施例1～4制備的1g TiO₂/ACF催化劑，無(wú)光照條件下磁力攪拌30min，初次取樣；然后紫外燈照射180min，每10min取樣進(jìn)行分析。每次取樣經(jīng)離心分離后取上層清夜，使用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)664nm處的吸光度，計(jì)算得到光催化降解曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖8～11。