麦饭石复合材料应用于工业废水处理的探讨

2022-09-11

1 麦饭石概述

麦饭石是我国历史悠久的天然矿石, 早在明朝李时珍《本草纲目》中就有麦饭石药用的相关记载。天然麦饭石外观神似大麦米煮熟的饭团, 并由此得名。多孔状和海绵状结构决定麦饭石具有非常强的吸附性, 既能吸附水中一些有害元素, 还对某些化合物表现了良好的吸附性能。此外, 麦饭石水溶液含有大量的矿物质和微量元素, 这些溶出物质使得处理后的麦饭石溶液具有一定的生物活性。天然麦饭石主要含有硅酸盐和氧化物等难溶矿物, 其主要化学成分是Al2O3。Al元素具有典型的酸碱两性, 因此麦饭石表现为对水溶液具有取向调节p H缓冲作用[1]。

随着近年工业发展和人民生活水平的提高, 氨氮污水排放量急剧上升, 去除工业废水中氨氮的研究也得到更多的关注。目前国内外去除氨氮多采用成本较低、操作方便的吸附法, 吸附剂大多采用沸石[2]。电镀、化工等重污染行业每年产生大量重金属废水, 重金属离子进入水环境后直接威胁人体健康。目前多是应用吸附法对含重金属离子废水进行处理, 效果显著。常用吸附剂有包括树脂、活性炭等, 但受较高的成本所限很难得到推广使用。因此, 开发好兼有价格优势和高吸附性能的新型吸附材料成为适应市场发展的未来方向。麦饭石来源广泛, 价格低廉, 可通过离子交换和表配位吸附重金属离子, 通过实验研究表明麦饭石和负载Ti O2麦饭石对水中Pb2+和Cd2+具有较强吸附性能, 可进一步探讨吸附剂用量、初始p H、Pb2+和Cd2+的初始浓度、吸附时间等因素对吸附效果的影响。

2 Ti O2光催化剂的负载

纳米Ti O2光催化剂在当前的应用中, 主要采取下面两种方式进行负载。其一是采用通风搅拌或者机械搅拌的方法, 将纳米Ti O2粉体均匀分散在被降解溶液中, 称为悬浮体系。由于悬浮体系中纳米Ti O2颗粒细小, 存在难以回收的缺点, 限制了它的发展和应用。其二是将纳米Ti O2负载在各种载体上, 制得负载型光催化剂, 由于其不影响实际应用, 近年来得到迅速发展。若能使用较为先进的负载技术, 便能充分发挥纳米Ti O2光催化剂的作用[3]。随着相关研究和应用的深入, 负载型Ti O2光催化剂已经引起了人们的重视, Ti O2颗粒与载体之间的相互作用可以促进新型复合光催化剂催化活性的提高。

2.1 Ti02光催化剂的制备

光催化剂制备的方法多种多样, 按照制备条件的不同, 可以分为:气相制备法和液相制备法两大类。气相制备包括有机/无机钛前驱物气相沉积法等, 例如商品催化剂P25的制备所采用的Ti Cl4气相燃烧法。这种方法首先是将前驱体与反应气 (氢气和氧气) 充分混合后在高温条件下燃烧, 在发生高温水解后进一步反应可以制得Ti O2, 该方法制得的催化剂晶相是呈锐钛矿和金红石并存的混晶。液相制备法包括溶胶-凝胶法 (SolGel) , 水热法, 油包水微乳液法等。溶胶-凝胶法是目前为止制备负载型多孔Ti O2的常用方法。根据前驱体钛醇盐的水解-共凝聚原理, 通过控制反应进程, 可制得Ti O2单分散粉末、薄膜以及Ti O2纤维等产品。使用液体溶剂, 在高温高压条件下制备含钛前驱体, 通过成核和晶体生长过程, 产品经水洗、干燥后得到Ti O2粉末, 这种Ti O2制备方法称为水热法。水热法制备的Ti O2晶体特点是呈多种组成、结构、形貌, 在实验室和工业生产所需高结晶度催化剂制备方面被广泛采用。本研究采用溶胶-凝胶法制成新型Ti O2/麦饭石复合物光催化性能稳定, 实验表明载体与Ti O2颗粒结合牢固, 同时有效避免Ti O2微粉不易回收利用的问题。

2.2 吸附-光催化技术研究

研究表明, Ti O2的吸附能力较差, 特别是对非极性物质的吸附能力很弱, 这是由其极性结构决定的。由化学反应动力学可知, 化学反应物浓度影响化学反应的速率。当Ti O2光催化剂发挥催化性能时, 其表面污染物的低吸附量将产生负面影响, 导致化学反应速率降低。将Ti O2与吸附剂结合, 可以有效弥补其吸附性能的不足。兼有吸附功能的载体能够将大量污染物吸附到复合催化剂表面, 使局部污染物浓度达到较高值, 从而提高光催化反应速率。黄正宏[3]等总结了炭与Ti O2光催化剂的复合方式对复合催化剂性能的影响, 指出炭与Ti O2的复合呈现多样化的特征, 炭不仅可以富集目标污染物, 还可以抑制水蒸气和其他组分对光催化降解的影响, 抑制热处理时Ti O2晶相的生成。利用天然麦饭石做载体制备的新型Ti O2/麦饭石复合光催化材料具有良好的催化性能, 麦饭石的高吸附性能与Ti O2证实的光催化性能具有协同作用。

3 结语

目前, 麦饭石应用主要在保健、食品、农业以及工业领域, 对于麦饭石负载光催化材料方面的报道还不多见。麦饭石可以将大量污染物吸附至复合光催化剂表面, 在局部形成较高的污染物浓度, 从而促进光催化反应正向进行。新型Ti O2/麦饭石复合光催化剂的研究具有一定的创新性, 将其应用于吸附降解废水中污染物, 在天然材料的开发利用用方面值得深入探索。

摘要：本文采用溶胶-凝胶法将Ti O2负载到天然麦饭石上制得新型催化剂。探讨此新型麦饭石复合光催化剂的制备原理及应用工业废水处理的可行性。对于充分利用麦饭石天然资源, 以及在工业废水处理方面既降低成本又提高处理效果具有重要意义。

关键词：麦饭石,废水处理,探讨