申请日2013.04.25
公开(公告)日2013.08.07
IPC分类号C02F1/32
摘要
本发明提供了一种基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法，解决了现有降解火炸药废水方法存在的降解效果不理想、操作复杂、成本较高、不易回收、易二次污染等问题。本发明方法是首先制备得到磁载纳米功能颗粒TiO2/SiO2/C/Fe3O4颗粒，然后将TiO2/SiO2/C/Fe3O4颗粒按比例加入到火炸药废水中，在紫外光的照射下对火炸药废水进行光催化降解。本发明中利用高分散TiO2/SiO2/C/Fe3O4磁载纳米功能颗粒，实现磁控可回收的光催化降解火炸药废水的技术，在紫外光的照射下，对火炸药废水的降解率可达63.24%，且功能颗粒可进行磁控回收重复利用，避免了二次污染的出现。
权利要求书
1.一种基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、磁载纳米功能颗粒的制备：①、配置浓度为2mol/L FeCl3溶液，取脱脂棉浸泡在FeCl3溶液中，脱脂棉的加入量为每毫升FeCl3溶液中加入0.05g脱脂棉，用脱脂棉吸附铁离子1.5-2.5h，之后将吸附了铁离子的脱脂棉放入高温炉中在400℃、-0.2Torr的条件下反应2小时，之后取出反应产物并加入酒精进行研磨，最后经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质，制得Fe3O4颗粒;②、取步骤①中制得的Fe3O4颗粒并依次加入正硅酸乙酯、盐酸、乙醇和水，加入量按摩尔质量比为Fe3O4：正硅酸乙酯：盐酸：乙醇：水=1：3：0.32：8.02：0.65加入，接着将混合溶液加热升温至500℃并搅拌20min，之后静置3h;然后将反应产物经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质后放入高温炉中在500℃、-0.2Torr的条件下煅烧1.5h，之后取出煅烧产物并加入酒精进行研磨，最后再经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质，制得SiO2/C/Fe3O4颗粒;③、取步骤②中制得的SiO2/C/Fe3O4颗粒并依次加入钛酸正丁酯、盐酸、乙醇和水，加入量按摩尔质量比为SiO2/C/Fe3O4：钛酸正丁酯：盐酸：乙醇：水=1：5：0.1：2.06：0.17加入，接着将混合溶液升温至500℃并搅拌20min，之后静置3h;然后将反应产物经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质后放入高温炉中在500℃、-0.2Torr的条件下煅烧1.5h，之后取出煅烧产物并加入酒精进行研磨，最后再经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质，制得磁载纳米功能颗粒TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒;
2)、用磁载纳米功能颗粒对火炸药废水进行光催化降解：取步骤1)中制得的TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒加入到火炸药废水进行光催化降解，加入量按质量比为TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒的质量：火炸药废水溶质的质量=1：0.001加入，接着在350-400nm紫外光的照射下进行光催化反应，火炸药废水的脱色率曲线随光催化反应时间增长而上升，当上升至一定高度不再上升时，光催化降解完成;最后利用磁性大于50emu/g的外加磁场对TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒和降解后的火炸药废水进行分离，完成对TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒的回收。
2.根据权利要求1所述的基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法，其特征在于：所述的火炸药废水为TNT废水。
说明书
基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体是一种基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法。
背景技术
火炸药废水具有成分复杂、排放量大、有毒等特点，对生态环境和生命有机体存在着潜在的威胁。火炸药废水问题已经成为全球性的环境污染问题，火炸药废水在排放前需进行降解处理，以尽可能减少其所带来的危害。
目前，光催化氧化法在处理炸药废水方面具有明显的优势，光催化氧化法作为一种高级氧化技术，它能够利用太阳光或近紫外光作为辐射光源，在常温常压下使污染物矿化，处理成本大大降低，具有简单、快速、价廉等优点，较之物理法及其他化学法具有较大的优越性，因此在废水处理领域有着极其重要的地位。其中，具有较高催化活性的光催化剂成为光催化技术的研究热点，例如TiO2光催化剂，由于其具有良好的化学稳定性、抗磨损性、低成本、无毒等特点而成为最具应用潜力的光催化剂，但是TiO2光催化剂在处理完火炸药废水后难以回收，造成了资源的浪费、处理成本的提高。
基于此，研究开发一种高效、可控回收、无二次污染且成本低的光催化氧化处理技术就成为了火炸药废水处理的发展趋势。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在问题，而提供一种基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于磁载纳米功能颗粒的火炸药废水光催化降解的方法，包括如下步骤：
1)、磁载纳米功能颗粒的制备：①、配置浓度为2mol/L FeCl3溶液，取脱脂棉浸泡在FeCl3溶液中，脱脂棉的加入量为每毫升FeCl3溶液中加入0.05g脱脂棉，用脱脂棉吸附铁离子1.5-2.5h，之后将吸附了铁离子的脱脂棉放入高温炉中在400℃、-0.2Torr的条件下反应2小时，之后取出反应产物并加入酒精进行研磨，最后经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质，制得Fe3O4颗粒;②、取步骤①中制得的Fe3O4颗粒并依次加入正硅酸乙酯、盐酸、乙醇和水，加入量按摩尔质量比为Fe3O4：正硅酸乙酯：盐酸：乙醇：水=1：3：0.32：8.02：0.65加入，接着将混合溶液升温至500℃并搅拌20min，之后静置3h;然后将反应产物经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质后放入高温炉中在500℃、-0.2Torr的条件下煅烧1.5h(Torr为压强单位，1 Torr≈133.322 Pa)，之后取出煅烧产物并加入酒精进行研磨，最后再经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质，制得SiO2/C/Fe3O4颗粒;③、取步骤②中制得的SiO2/C/Fe3O4颗粒并依次加入钛酸正丁酯、盐酸、乙醇和水，加入量按摩尔质量比为SiO2/C/Fe3O4：钛酸正丁酯：盐酸：乙醇：水=1：5：0.1：2.06：0.17加入，接着将混合溶液升温至500℃并搅拌20min，之后静置3h;然后将反应产物经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质后放入高温炉中在500℃、-0.2Torr的条件下煅烧1.5h，之后取出煅烧产物并加入酒精进行研磨，最后再经超声处理后磁力沉降，去除非磁性物质，制得磁载纳米功能颗粒TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒;
2)、用磁载纳米功能颗粒对火炸药废水进行光催化降解：取步骤1)中制得的TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒加入到火炸药废水进行光催化降解，加入量按质量比为TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒的质量：火炸药废水溶质的质量=1：0.001加入，接着在350-400nm紫外光的照射下进行光催化反应，火炸药废水的脱色率曲线随光催化反应时间增长而上升，当上升至一定高度不再上升时，光催化降解完成(脱色率曲线见图5所示);最后利用磁性大于50emu/g的外加磁场对TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒和降解后的火炸药废水进行分离，完成对TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒的回收。
本发明方法中各步骤的制备参数都是申请人通过反复试验得到的最优结果，从而达到了最优的降解效果。
TiO2为n型半导体，其能带结构是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能带构成，它们之间存在禁带，其禁带宽度为3.2eV。由可知，它只能吸收波长小于或等于387.5nm的紫外光。当被紫外光照射后，价带中的电子就会被激发到导带，形成带负电的高活性电子，同时在价带上产生带正电的空穴，电子和空穴发生分离，迁移到离子表面的不同位置。热力学理论表明，分布在表面的空穴可以将吸附在TiO2表面的0H-或将水分子氧化形成HO·自由基。H0·自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，将其最终降解为C02和H20等无害物质。且HO·自由基的氧化电位较TiO2的价带电位更负一些，这样有机物也能直接被空穴所氧化。而Ti02表面高活性的电子则具有很强的还原能力，可以还原去除环境中的有害离子。这样经过紫外线照射便可以实现光催化分解火炸药废水。
进一步地，所述的火炸药废水为TNT废水。本发明方法可降解大部分的火炸药废水，其中，降解TNT废水的效果最优。
本发明中，磁载纳米功能颗粒TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒为核壳结构，其结构如图1所示，中心位置为Fe3O4磁核、Fe3O4磁核外裹附碳纤维层、碳纤维层外裹附SiO2层、SiO2层外裹附锐钛矿型TiO2层，TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒的特殊结构决定了其兼具磁性和光催化热性，而且其具有很高的分散性(图2、3为TiO2/SiO2/ C /Fe3O4颗粒的透射电镜图和XRD图)，其制备过程简单，具有化学性质稳定、抗磨损、低成本，无毒、易于回收等优点。本发明利用高分散性TiO2/SiO2/C/Fe3O4核壳结构磁载纳米功能颗粒，实现磁控可回收的光催化降解火炸药废水的技术，在紫外光的照射下， TiO2/SiO2/C/Fe3O4纳米功能颗粒对火炸药废水的降解率可达63.24%，且TiO2/SiO2/C/Fe3O4纳米功能颗粒可进行磁控回收重复利用(TiO2/SiO2/C/Fe3O4纳米功能颗粒的磁滞回线见图4所示)，避免了二次污染的出现。本发明拓宽了光催化颗粒的应用领域，进一步提高了工业大批量生产的能力。