一种Fe掺杂生物炭负载TiO2复合材料的制备方法与用途与流程

本发明属于环境功能材料和水处理新
技术领域：
，具体涉及一种fe掺杂生物炭负载tio2复合材料的制备方法与用途。
背景技术：
：环丙沙星作为喹诺酮类抗生素的一种,被广泛用于医疗、畜牧业、农业和水产养殖业等行业,可以通过很多渠道进入到水体环境中。环丙沙星可以对人体产生中枢系统毒性、肝肾毒性、血液系统毒性以及光毒性,也可以使环境中的细菌对其产生抗性,所以它在环境中的存在会对生态系统和人类健康构成潜在的危害,环丙沙星在环境中的迁移转化越来越引起人们的关注。一般的处理方法有吸附、光催化降解、生物降解和膜过滤等。其中，光催化技术设备简单、易于操作、无二次污染、应用范围广，在实际的废水治理中已有应用。tio2作为常用光催化材料，具有制备工艺简单、原材料低廉易得和无毒无害等优点，但粉末状tio2在废水处理中存在分离和回收困难等问题。因此，研究开发新型高效复合光催化剂，已经成为tio2用于水处理的发展和应用中的一个关键性科学技术问题。tio2是一类具有强氧化性和还原性的新型无机功能材料，它对废水中的有机物具有较好的去除能力。但在实际废水处理中存在分离和回收困难的问题，因而固定化光催化剂的研究备受到关注。采用具有易于掺杂，tio2和载体结合力强等特点溶胶-凝胶技术，将掺杂fe离子的纳米tio2负载在生物炭上，实现了催化剂粉末的固定化负载，制备出实用型的、具有高催化活性的复合光催化剂。增强了富集目标污染物，捕获中间产物能力，还可以抑制水蒸汽对光催化的影响，提高tio2对污染物的降解能力，同时与载体的结合还有助于光催化剂的有效分离与回收。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，开发一种实用、高效的可用于光催化处理环丙沙星的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料。本发明提出的一种fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料的制备方法，是将fe对tio2进行功能化处理，并且将制备的光催化剂tio2组装在生物炭表面，增加tio2表面的吸附位点数量，具体步骤如下：(1)将生物质原材料用去离子水清洗，然后在80℃下烘干24小时，将烘干后的生物质粉碎，并过2mm筛得到生物质粉末；(2)将10ml钛酸四正丁酯和0.101g的硝酸铁缓慢加入到15ml无水乙醇中，混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌20min形成黄色澄清溶液；加入1.5g步骤(1)得到的生物质粉末搅拌30min，得到悬液a。(3)将5ml冰乙酸和5ml去离子水与5ml无水乙醇混合，混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌10分钟，得到溶液b。(4)在室温下将溶液b逐滴(速率在2滴/秒左右)加入步骤(1)得到的溶液a中，滴加结束后再持续利用恒温磁力搅拌器进行剧烈搅拌，使其酞酸四正丁酯水解。搅拌约20分钟，就可得到黄色的溶胶；将得到的溶胶在40℃老化2小时后，得到凝胶；然后再在80℃下烘干24小时，得到黄色晶体；(5)将步骤(4)中得到的黄色晶体，充分研磨成极细微颗粒，放入管式气氛炉中热解烧制，热解过程中保持气氛炉的石英管密封，同时向管内以400ml/min的流速通入n2，以此来保持整个热解过程的厌氧条件，管式炉的升温程序设定为：从室温以7℃/min的升温速率加热上升到500℃，并在此温度条件下持续热解2小时，然后开始自然降温过程，在降温过程中保持n2以相同流速持续通入，冷却到室温后取出即得到所述复合材料。上述制备方法中，制备的顺序是制备的顺序是先将生物质粉末浸入到钛酸四正丁酯、硝酸铁和无水乙醇水溶液中，再制备fe掺杂的生物质的凝胶，最后通过管式气氛炉在n2氛围下将凝胶热解得到所述产品。上述制备方法中，生物炭的原材料选用农业废弃物、固体废物、污泥等生物质。上述制备方法中，所述钛酸四正丁酯:无水乙醇：冰乙酸：水的体积比为2：4：1：1。上述制备方法中，含有生物质的fe掺杂凝胶必须在烘箱中80℃下烘干24小时，以保证进入管式炉中热解之前的干燥状态。上述制备方法中，管式炉的升温速率为7℃/min，最高温度为500℃，并在此温度条件下持续热解2小时。利用本发明方法制备得到的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料去除废水中的抗生素。与现有技术相比，本发明的优点在于：1.生物炭的原料来源广泛，且价格低廉，主要原料为农业废弃物、固体废物、污泥等生物质；使用的化学药品钛酸四正丁酯、硝酸铁、冰乙酸和无水乙醇等是常用的化工产品。2.本发明的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料的制备工艺及操作简单，制备快速，生产周期短，产品回收率高，不需要特殊的化工设备，易于实现工业化生产。3.本发明的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料的制备过程中，生物质的热解和fe掺杂tio2的焙烧在同一个热处理过程中进行，缩减了制备费用和时间。4.产品无毒，对环境友好。5.本发明的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料对环丙沙星的去除效率高。附图说明图1是本发明实施例1的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料的扫描电镜示意图；图2为本发明实施例4的不同ph条件下fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料对环丙沙星的去除量；；具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例1：一种本发明所述的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料的制备，生物炭原材料选用去掉叶子和皮的苎麻杆，具体制备方法如下：将生物质原材料用去离子水清洗，然后在80℃下烘干24小时，将烘干后的生物质粉碎，并过2mm筛得到生物质粉末；将10ml钛酸四正丁酯和0.101g的硝酸铁缓慢加入到15ml无水乙醇中，混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌20min形成黄色澄清溶液；加入1.5g步骤(1)得到的生物质粉末搅拌30min，得到悬液a。将5ml冰乙酸和5ml去离子水与5ml无水乙醇混合，混合液以200转/分钟的速度在恒温磁力搅拌器上搅拌10分钟，得到溶液b。在室温下将溶液b逐滴(速率在2滴/秒左右)加入步骤(1)得到的溶液a中，滴加结束后再持续利用恒温磁力搅拌器进行剧烈搅拌，使其酞酸四正丁酯水解。搅拌约20分钟，就可得到黄色的溶胶；将得到的溶胶在40℃老化2小时后，得到凝胶；然后再在80℃下烘干24小时，得到黄色晶体；将步骤(4)中得到的黄色晶体，充分研磨成极细微颗粒，放入管式气氛炉中热解烧制，热解过程中保持气氛炉的石英管密封，同时向管内以400ml/min的流速通入n2，以此来保持整个热解过程的厌氧条件，管式炉的升温程序设定为：从室温以7℃/min的升温速率加热上升到500℃，并在此温度条件下持续热解2小时，然后开始自然降温过程，在降温过程中保持n2以相同流速持续通入，冷却到室温后取出即得到所述复合材料。上述制得的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料外观呈黑色，将其置于扫描电镜下观察，其表面结构如图1所示，可以看出其表面均匀分布大量焙烧后的tio2。实施例2：本发明的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料处理废水中的环丙沙星，包括以下步骤：取50ml初始浓度为1～20mg/l的环丙沙星溶液，加入实施例1制得的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料，该吸附剂的用量为0.01g，在27℃恒温培养箱中进行光催化反应，2小时后通过离心将该光催化剂从废水中分离，用分光光度计在530nm处测定废水中未被降解环丙沙星的含量，计算的降解量结果如表1所示：表1：不同环丙沙星初始浓度条件下光催化剂的降解率数据由表1可知，在初始浓度为15mg/l的条件下该催化剂剂具有43.54mg/g的降解量，并随初始浓度增加而增加，到15mg/l的条件下该催化剂的降解量达到43.54mg/g。实施例3：本发明的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料处理废水中的环丙沙星，包括以下步骤：取50ml初始浓度为500mg/l的环丙沙星溶液，加入实施例1制得的fe掺杂生物炭负载tio2复合材料，该催化剂的用量为0.005g，0.01g，0.015g，在27℃恒温培养箱中进行光催化反应，2小时后通过离心将该光催化剂从废水中分离，用分光光度计在530nm处测定废水中未被降解环丙沙星的含量，计算的降解量结果如表2所示：表2：不同催化剂量下对环丙沙星的降解量数据催化剂用量(g)0.0050.010.015降解量(mg/g)28.5343.5419.63由表2可知，在初始浓度为15mg/l的条件下该催化剂降解量随催化剂增加呈先增大后减小的趋势，到0.01g的条件下该催化剂的降解量达到43.54mg/g。实施例4：本发明的fe掺杂生物炭负载tio2的复合材料不同ph下处理废水中的环丙沙星，包括以下步骤：取50ml初始浓度为15mg/l的环丙沙星溶液，加入实施例1制得的fe掺杂生物炭负载tio2复合材料，该吸附剂的用量为0.1g，在27℃恒温培养箱中进行光催化反应，2小时后通过离心将该光催化剂从废水中分离，用分光光度计在665nm处测定废水中未被降解环丙沙星的含量，计算的降解量结果如表2所示：表3：不同环丙沙星初始浓度条件下光催化剂的降解量数据由表3可知，在初始浓度为15mg/l的ph为6的条件下该催化剂具有65.4mg/g的降解量。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围。当前第1页12