本發(fā)明涉及一種alon復(fù)合可見光催化劑，具體涉及一種高效處理亞甲基藍染料廢水的復(fù)合可見光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于光催化領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對于化石能源的需求及依賴與日俱增。環(huán)境污染狀況經(jīng)過長期治理，雖然有所改善，但總體上還是比較嚴重的，尤其工業(yè)“三廢”仍然得不到有效的治理。其中印染廢水是世界公認的嚴重工業(yè)污染源之一，它常含難降解、有毒有機污染物，其中偶氮化合物和芳香胺等還具有致癌、致畸變作用。亞甲基藍(mb)為印染廢水中典型的有機污染物之一，對其進行降解和脫色是印染廢水治理的重要對象。

在過去的幾十年之間，各國政府和企業(yè)都投入了大量資金和人力對水污染處理技術(shù)做出了重要的貢獻，但這些傳統(tǒng)技術(shù)在治理污染方面的能力是有限的，不僅效率低，且有可能出現(xiàn)二次污染。自光催化技術(shù)面世以來，由于其具備環(huán)保、高效率、成本低及無污染等優(yōu)點而備受關(guān)注。目前，作為光催化材料，主要以tio2粉體及其復(fù)合粉體材料為主，劉振榮等人采用高溫活化處理過的普通銳鈦型tio2為催化劑，在120min對于亞甲基藍的降解率達到80％以上(參見文獻：劉振榮,李紅,王君,等.tio2催化超聲降解亞甲基藍溶液[j].化學(xué)研究,2005,16(1):69-71.)。王瑞芬等采用溶膠-凝膠法，以鈦酸丁酯、硝酸鑭和氟化鈉為原料，對鑭-氟共摻雜二氧化鈦結(jié)構(gòu)及催化性能研究，在紫外光光照下120min降解率為79.6％(參見文獻：王瑞芬,王福明,安勝利,等.鑭-氟共摻雜二氧化鈦結(jié)構(gòu)及催化性能研究[j].稀有金屬材料與工程,2014(9):2293-2296.)。但是由于光照時間長、分解效率低、原料對人體有害、制備光催化劑工藝復(fù)雜等缺點限制了以上光催化劑的實際應(yīng)用。同時，tio2粉體在與有機物充分接觸時，極易發(fā)生團聚、且不能回收和不能重復(fù)利用的缺點同樣突出。因此，合成一種高效無毒且無二次污染的光催化劑尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種復(fù)合可見光催化劑。

一種復(fù)合可見光催化劑，所述可見光催化劑按下述方法制得：

(1)按0.5～7wt.％摻雜量將摻雜粉體與alon粉末混合研磨，將研磨后的粉體置于燒杯中加入去離子水進行超聲10-60min，得混合溶液，其中，所述摻雜粉體為bivo4、tio2、sno2、石墨烯中的一種；

(2)將步驟(1)所得混合溶液裝入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在溫度為30-200℃馬弗爐中反應(yīng)12-36h，將反應(yīng)所得產(chǎn)物進行抽濾，烘干，得復(fù)合可見光催化劑。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中，0.5～7wt.％摻雜量指摻雜粉體占摻雜粉體與alon粉末總量的0.5～7wt.％。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中，優(yōu)選所述摻雜粉體為tio2。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中，優(yōu)選所述摻雜粉體的粒徑為40nm

上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中，中所述摻雜粉體的摻雜量為1-7％，進一步優(yōu)選為2-5％。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(2)中，所述反應(yīng)釜在溫度為30-200℃馬弗爐中反應(yīng)12-36h；進一步優(yōu)選為在馬弗爐中150-190℃反應(yīng)20-28h。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(2)中，所述“抽濾，烘干”按下述方法進行：將將反應(yīng)所得產(chǎn)物滴入裝有濾膜的抽濾器中，除去溶液中的水，然后將裝有濾膜的燒杯置入馬弗爐中50-120℃烘干12～36h。

進一步地，滴入速度為：2～3s一滴，每滴0.1ml。

利用上述方法制備所得的催化劑的比表面積為2-8m²/g。

進一步地，本發(fā)明所述alon粉末按下述方法制備：以平均粒徑為70～110nm，比表面積為5-20m²/g的α-al2o3粉體與碳粉為原料，采用碳熱還原法制備alon合成。

①按碳粉占混合粉末的4.0-8.0wt.％配制碳粉和α-al2o3粉體的混合粉末，裝入聚四氟乙烯罐中，氮化硅球作為磨球，無水乙醇為球磨介質(zhì)，以150-360r/min轉(zhuǎn)速球磨20-48h，球磨后混合粉體的比表面積為100-200m²/g；

②加熱步驟①所得混合粉體使其干燥，過20-80目篩，獲得具有良好分散性的α-al2o3和碳粉混合粉體；

③將步驟②所得混合粉體置入周邊圍有石墨紙且底部鋪有氧化鋁板的坩堝中，混合粉體自表面至底部做直徑為2-8mm的人造氣孔且氣孔間距小于20mm，距混合粉體上表面小于3mm處蓋上帶有直徑為0.75-3mm通孔的石墨紙；

④將上述裝有混合粉體的石墨坩堝置于燒結(jié)爐中，在室溫下進行爐內(nèi)抽真空，真空度達到10^-2pa的同時進行升溫，升溫速度5-40℃/min，在600-900℃充氮氣，氮氣流速為0.03-0.3l/h；燒結(jié)爐以5-40℃/min升溫至1400-1600℃保溫10-100min，再繼續(xù)升溫到1600-1800℃保溫10-100min，得到純相alon粉體。

上述技術(shù)方案中，步驟②，優(yōu)選加熱步驟①所得混合粉體30min使其干燥，過40目篩，獲得分散性較好的α-al2o3和活性炭混合粉體。

上述技術(shù)方案中，所述合成的alon粉體需要進行除碳處理：將步驟④所得alon粉體取適量至于馬弗爐中在500-700℃保溫除碳2-5h。

本發(fā)明先以α-al2o3粉體和活性碳為原料碳熱還原氮化法合成alon粉體，再以alon粉體為原料摻入少量bivo4、tio2、sno2及石墨烯其中之一的粉體采用水熱法合成可見光下alon復(fù)合光催化劑粉體。其中α-al2o3和活性炭球磨混合起到細化粉末顆粒的目的。底部的氧化鋁板起到隔離c保護石墨模具的作用；粉末中的人造孔有利于脈沖條件下氮氣的進入，氮氣與粉體充分接觸的同時也為co氣體的排除和氮氣的循環(huán)進入提供通道，為提高粉體相組成的均勻性、保證合成產(chǎn)物相組成穩(wěn)定提供有利條件，低溫階段升溫過程中同時抽真空保障了爐內(nèi)廢氣的及時排除，在較低溫度及較短保溫時間條件下獲得純相alon粉體。alon粉體與摻入的粉體研磨及在反應(yīng)介質(zhì)中超聲有利于粉體的均勻混合和分散，使混合粉體之間的接觸面積增大。為采取水熱法合成alon復(fù)合可見光催化劑提供保障，可以在較低溫度、較短保溫時間條件下獲得穩(wěn)定的可見光alon復(fù)合催化劑粉末。

本發(fā)明的又一目的是提供利用上述復(fù)合可見光催化劑降解亞甲基藍的方法。

一種降解亞甲基藍的方法，以復(fù)合可見光催化劑為光催化劑降解亞甲基藍溶液，所述可見光催化劑按下述方法制得：

(1)按0.5～7wt.％摻雜量將摻雜粉體與alon粉末混合研磨，將研磨后的粉體置于燒杯中加入去離子水進行超聲10-60min，得混合溶液，其中，所述摻雜粉體為bivo4、tio2、sno2、石墨烯中的一種；

(2)將步驟(1)所得混合溶液裝入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在溫度為30-200℃馬弗爐中反應(yīng)12-36h，將反應(yīng)所得產(chǎn)物進行抽濾，烘干，得復(fù)合可見光催化劑。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選所述亞甲基藍溶液的濃度為5-20mg/l；進一步優(yōu)選所述亞甲基藍在溶液中的濃度為8-15mg/l，更進一步優(yōu)選為10mg/l。

本發(fā)明所述降解亞甲基藍的方法優(yōu)選將復(fù)合可見光催化劑置于含有亞甲基藍溶液的試管中進行超聲處理溶液，開啟發(fā)光光源在轉(zhuǎn)子攪拌下進行光催化實驗。

上述技術(shù)方案中，光催化反應(yīng)儀可商業(yè)購得，所述光催化反應(yīng)儀包括發(fā)光光源、外部恒溫循環(huán)系統(tǒng)和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)裝置。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選發(fā)光光源為500w高壓汞燈，并且為不使用濾光片的全波段光源。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選超聲時間為1-15min。

本發(fā)明所述利用復(fù)合alon粉體作為催化劑可見光降解亞甲基藍的方法，復(fù)合可見光催化劑具有良好的催化活性，能有效的降解污染物，工藝可控性強、操作簡單易行、產(chǎn)品相組成穩(wěn)定可靠、可重復(fù)利用，易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明采用水熱法合成的alon復(fù)合粉體的技術(shù)方案分為兩步，第一步是alon粉體的合成，即以比表面積較小的α-al2o3與活性炭球磨配制的粉末為原料，由于混合后的粉體比表面積較小，因此原料混合粉末氣體吸附量較少，且主要存在于顆粒表面，這就使得爐內(nèi)抽真空時混合粉體吸附的氣體容易排出，大大減少了抽真空的時間，也能有效避免了抽真空階段粉末飛散，使效率大大提高，繼而采用碳熱還原氮化法合成alon粉末。第二步是alon復(fù)合可見光催化劑的合成，即以alon、tio2粉末為原料，采用水熱法合成alon復(fù)合可見光催化劑，由于alon、tio2粉體均為無毒、無污染粉體，因此合成的alon復(fù)合可見光催化劑也不存在二次污染的問題有利于環(huán)境的保護，另外水熱法制備的alon復(fù)合可見光催化劑顆粒具有團聚少、純度高、污染小、成本低、易于產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)物結(jié)晶度好、形貌可控等優(yōu)勢。

在光催化反應(yīng)儀中對所合成的alon復(fù)合催化劑粉末進行光催化性能評價，最終在光密度為10-120mw/cm²的可見光源強度下，120min降解模擬污染物亞甲基藍的降解率高達98.2％，遠高于alon、tio2及其他同類粉末光催化劑。采用本發(fā)明可合成出活性高、相組成穩(wěn)定、無二次污染、成本低、可循環(huán)且工藝簡單易行的可見光催化劑，適用于工化生產(chǎn)，是理想的可見光催化劑。

附圖說明

圖1是alon粉(1a)、tio2(1b)及水熱法合成的tio2摻雜alon復(fù)合粉體的xrd圖譜，1a表明采用碳熱還原氮化法合成的alon粉體均為純相alon，且特征峰尖銳，即合成的alon粉體具有較高的結(jié)晶度和純度；1b表明購買的商業(yè)tio2為純相；為下一步水熱法合成復(fù)合光催化劑的純度提供了保證；1c表明采用水熱法合成的可見光復(fù)合光催化劑只存在alon及tio2兩相，表明兩種粉末經(jīng)過水熱法反應(yīng)后依然是純相。

圖2是alon粉體的sem照片，圖2a中可以看出，低倍數(shù)下觀察到碳熱還原氮化法合成的alon粉體顆粒平均尺寸在1.5-2.2μm，無明顯團聚且粉體分布均勻，高倍數(shù)下觀察到(圖2b)alon晶粒生長無序，呈不規(guī)則狀，粉體結(jié)構(gòu)孔洞較多且較大，易破碎有利于水熱法合成復(fù)合可見光催化劑，bet比表面測試結(jié)果為1.67m²/g。

圖3是購買的商業(yè)tio2粉體sem照片，圖3a中可以看出，低倍數(shù)下購買的商業(yè)tio2團聚較嚴重，團聚后顆粒較大平均尺寸在3-5μm，高倍數(shù)下觀察到(圖3b)有少量未團聚的tio2粉末附著在已團聚的大顆粒粉體表面，tio2多點法比表面積測試結(jié)果為70.4m²/g。

圖4是水熱法合成的tio2摻雜alon復(fù)合可見光催化劑sem照片，圖4a可以看出低倍數(shù)下復(fù)合alon粉體整體分布及顆粒尺寸與alon粉體相近，高倍數(shù)下(圖4b)觀察到tio2團聚的顆粒被均勻的分散在alon晶粒表面，這種結(jié)構(gòu)增加了復(fù)合alon粉體光催化劑與亞甲基藍模擬污染物的反應(yīng)面積，復(fù)合光催化劑bet多點法比表面測試結(jié)果為4.34m²/g。

圖5是采用球磨法制備不同比例tio2摻雜的alon復(fù)合光催化劑在可見光照射下光催化降解亞甲基藍溶液的曲線，可以看出球磨法制備不同比例tio2摻雜的alon復(fù)合粉體在可見光下光催化2h整體催化效果較差，因此僅靠簡單的物理球磨摻雜tio2的方法對alon粉體在可見光下的光催化性能提高不明顯，4種不同比例tio2摻雜制備的alon復(fù)合粉體光催化效果的差異僅是因為tio2添加的量增加引起的。

圖6是水熱法制備不同比例tio2摻雜的alon復(fù)合光催化劑在可見光照射下光催化降解亞甲基藍溶液的曲線，可以看出水熱法制備的alon復(fù)合粉體光催化效果隨著tio2摻雜量的增加明顯提升，因此水熱法適用于制備tio2摻雜的alon復(fù)合可見光催化劑。

圖7是碳熱還原法氮化法合成alon粉末、購買商業(yè)tio2粉末及水熱法合成tio2摻雜alon復(fù)合粉末在可見光下的光催化效果圖，可以看出合成的alon粉在可見光下降解模擬污染物的效果較差，2h僅降解12％；tio2摻雜復(fù)合alon粉體在2h光催化效果比商業(yè)購買的tio2粉高出14.8％，為較為理想的可見光催化劑。

圖8是水熱法合成tio2摻雜alon復(fù)合粉末的eds圖譜及元素分布圖，表明復(fù)合粉體只檢測出含有al、o、n、ti、c五種元素，c元素為測試過程中導(dǎo)電膠含有的元素，因此粉體只含有al、o、n、ti四種元素；元素分布圖表明每種元素分布均勻，ti及n元素分布密度較低也符合tio2摻雜量少及alon粉體中n較少的特點。(tio2的摻量僅為3％所以較少)

圖9是水熱法合成的摻雜tio2的alon復(fù)合粉體透射電鏡照片，圖9a是復(fù)合粉體中拍到的alon粉體表面透射電鏡形貌照片，可以看出alon粉體表面明顯的階梯狀形貌這與圖2balon粉體的sem表面形貌相符，圖9b是透射電鏡拍到的復(fù)合alon粉體顆粒表面、周圍及孔隙處分布著顆粒較小的tio2照片與圖4bsem照片相符。因此，alon粉體顆粒的表面階梯狀形貌與存在較大孔隙的這種特殊結(jié)構(gòu)是把團聚嚴重的tio2粉體(圖2)分散開的主要原因，所以導(dǎo)致復(fù)合alon光催化劑與污染物接觸的有效面積增加(與比表面積結(jié)果相符)，使得光的利用率升高，光催化效果較好(與圖7結(jié)果相符)。

圖10為水熱法合成的摻雜3％tio2的alon復(fù)合粉體不同催化劑用量亞甲基藍溶液的降解曲線。在暗室中亞甲基藍降解率很低，主要為物理吸附。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

下述實施例中所述試驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。

具體實施方式之一：

使用去離子水配制濃度為5-20mg/l亞甲基藍溶液作為模擬污染物，將配制的模擬污染物30-80ml及水熱法合成的tio2摻雜alon復(fù)合光催化劑5-150mg裝入光催化反應(yīng)試管，為使催化劑均勻分散在污染物溶液中超聲振動15min，然后開啟磁力攪拌讓轉(zhuǎn)子充分混合溶液，使光催化劑與模擬污染物充分接觸，暗室條件下攪拌30min確保光催化劑表面與亞甲基藍溶液之間達到吸附-脫附平衡，開啟汞燈直到電流穩(wěn)定后，開始可見光光催化實驗，整個實驗過程中轉(zhuǎn)子保持攪拌狀態(tài)，每隔30min取樣2-8ml，離心2-10min之后取上層清液進行吸收光譜的測試用以判斷光催化劑降解污染物的能力。

實施例1

①按碳粉占混合粉末的5.6wt.％配制活性炭和α-al2o3混合粉末共40g，將混合粉末裝入聚四氟乙烯球磨罐中，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，固定配比的氮化硅球作為磨球，以170r/min轉(zhuǎn)速在行星式球磨機中球磨24h；

②把步驟①所得混合料漿在180℃加熱20min使其干燥，將干燥后的混合粉體過40目篩獲得造粒后的α-al2o3和活性炭混合粉體；

③將步驟②所得混合粉體裝入底部鋪有氧化鋁板及周邊圍有石墨紙的柱形石墨坩堝中，混合粉體自上而下做間距小于25mm直徑為1mm的人造氣孔，蓋上帶有直徑為1.5mm通孔的石墨紙距離混合粉體2mm；

④將步驟③石墨坩堝置于石墨環(huán)境燒結(jié)爐中，當(dāng)?shù)驼婵者_到10^-2pa時，以10℃/min進行升溫，在700℃以流速為0.1l/h充入氮氣；爐內(nèi)升溫至1550℃保溫1h，再繼續(xù)升溫到1775℃保溫1h，獲得純相alon粉體。

⑤將步驟④所得alon粉體置于馬弗爐中620℃除碳4h。

步驟⑤所得alon粉體xrd圖譜見圖1a，由圖可知合成的粉體均為結(jié)晶度較高的純相alon。alon粉體sem圖見圖2，表明合成的alon粉體呈無序狀分布，不規(guī)則的形貌使其大顆粒更易被破碎為小顆粒。

以上述方法制得的alon粉及工業(yè)tio2粉為原料采用水熱法合成摻雜tio2的alon復(fù)合可見光催化劑，具體按以下步驟制備。

①tio2按0.5％、1％、3％三種摻雜比例摻入到alon粉體中混合，將混合粉末置入80ml燒杯中，以去離子水為介質(zhì)超聲30min。

②把步驟①所得混合料漿裝入反應(yīng)釜中密封，在180℃反應(yīng)6h，得到反應(yīng)后的混合溶液；

③將步驟②所得混合溶液進行抽濾處理，將粘有粉體的濾紙80min烘干24h獲得摻雜tio2的alon復(fù)合可見光催化劑；

步驟③所得摻雜tio2的alon復(fù)合可見光催化劑xrd圖譜見圖1c，由圖可知光催化劑粉體是由alon和tio2兩相組成。圖4是催化劑粉體sem圖，可以看出合成的光催化劑粉體是一種tio2顆粒附著在alon顆粒表面的形態(tài)。

采用北京普林塞斯科技公司的pl-02型光化學(xué)反應(yīng)儀對催化劑進行光催化性能測試，具體步驟如下：

①將500w汞燈至于石英冷阱中，作為光催化反應(yīng)的光源，冷阱與外部恒溫循環(huán)系統(tǒng)相連，保證反應(yīng)過程中溫度不變。

②采用亞甲基藍粉末與去離子水配制20mg/l的亞甲基藍溶液做為模擬污染物，取100ml倒入反應(yīng)試管中，并加入30mg合成的復(fù)合光催化粉末作為催化劑，在暗室中超聲震蕩10分鐘。

③將轉(zhuǎn)子加入反應(yīng)試管，暗室攪拌30min確保光催化劑表面與色素溶液之間達到吸附-脫附平衡。開啟汞燈待電流穩(wěn)定后開始計量催化時間，間隔30分鐘取樣4ml，以80r/min轉(zhuǎn)速離心5分鐘之后取上層清液，用紫外可見分光光度計在待測液相應(yīng)的波長處(亞甲基藍的最大吸收波長為664nm)測定溶液的吸光度。

步驟③所得摻雜不同比例tio2的alon復(fù)合可見光催化劑光照下降解亞甲基藍溶液的效果圖見圖6，由圖可知復(fù)合粉體光催化劑性能隨著tio2摻雜量的增加明顯提升，因此水熱法適用于制備tio2摻雜的alon復(fù)合可見光催化劑。

實施例2

以實施例1中的方法制得的alon粉及工業(yè)tio2粉為原料采用球磨法合成摻雜tio2的alon復(fù)合可見光催化劑，具體按以下步驟制備。

①tio2按0.5％、1％、3％、5％四種摻雜比例摻入到alon粉體中混合共25g，將混合粉末置入聚四氟乙烯球磨罐中，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，170r/min球磨24h。

②把步驟①所得混合料漿在70℃干燥后研磨，得到球磨后的摻雜tio2的alon復(fù)合粉體；

采用北京普林塞斯科技公司的pl-02型光化學(xué)反應(yīng)儀對催化劑進行光催化性能測試，具體步驟同實施例1。

步驟②所得摻雜不同比例tio2球磨后的alon復(fù)合粉體在可見光光照下降解亞甲基藍溶液的效果圖見圖5，由圖摻雜不同比例tio2球磨后的alon復(fù)合粉體光催化劑性能隨著tio2摻雜量的增加變化較小，因此球磨法不適用于制備tio2摻雜的alon復(fù)合可見光催化劑。

實施例3

實施例3是按照實施例1中的方法制備摻雜3％tio2的alon復(fù)合催化劑粉體并進行光催化性能測試試驗，不同的是加入復(fù)合催化劑粉體的量分別為10mg、30mg、50mg、100mg、150mg、200mg。不同摻雜3％tio2的alon復(fù)合催化劑粉體用量亞甲基藍溶液的降解曲線見圖10。