一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料及其制备方法

1.本发明涉及炉渣回收处理技术领域，具体涉及一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料及其制备方法。


背景技术：

2.中国的钒钛磁铁矿资源丰富，其中，被誉为钒钛之都的攀枝花是我国主要的钒钛磁铁矿区，但每年将会有大约300万吨的攀钢高炉渣产生，至今已累计堆放已达到6000吨，导致大量资源被浪费，环境被污染。
3.攀钢高炉渣是五元渣，为典型的高炉渣，其中二氧化钛的含量约在21％～23％，它既是一种工业废料，也是一种富含钛元素的二次资源。二氧化钛由于本身的性质优异，以它作为光催化材料已经在许多领域得到广泛的应用，但仍然具有局限性，据研究，在二氧化钛中掺杂适量的金属离子，可改善它的光催化效应。多年以来，经过各方人才努力，使我国的科技水平不断提升，高炉冶炼技术不断改进，甚至达到国际先进水平，但高炉渣再利用等问题仍然有待解决。近年来，如何在对环境友好的情况下，提升高炉渣的利用率和再利用价值，是国内外一大热点，需要深入研究并寻找最优解决方案。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料及其制备方法，该方法使用液相法使高炉渣的晶体结构改变，使晶粒被细化，使比表面积增加，从而提高了光催化效率。
5.为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：
6.一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将高炉渣研磨后与偏钒酸铵混合，然后将混合物进行煅烧；(2)将煅烧后的产物冷却至室温后继续研磨得到掺杂钒的光催化剂；(3)在超纯水中加入掺杂钒的光催化剂然后置于磁力搅拌器上剧烈搅拌，然后加入冰乙酸得到第一溶液；将硝酸铵溶液逐滴加入第一溶液中并持续搅拌得到第二溶液；将第二溶液放入烘箱中干燥，干燥后研磨并高温煅烧，自然冷却后再次研磨得到钒氮共掺杂高钛高炉渣光催化剂。
7.进一步的技术方案为，所述步骤(1)中高炉渣研磨具体为先用球磨机将高炉渣研磨至100目～200目后，再使用玛瑙研钵手磨至10～50微米。
8.进一步的技术方案为，所述高炉渣与偏钒酸铵的质量比为1:0.142，所述偏钒酸铵的掺杂量为45％。
9.进一步的技术方案为，步骤(1)中段煅烧的温度为700～800℃，时间为1.5～3小时。
10.进一步的技术方案为，步骤(2)中煅烧后的产物研磨至10～50微米。
11.进一步的技术方案为，步骤(3)中所述超纯水与掺杂钒的光催化剂的体积质量比为4.3:1～4.4:1，所述超纯水与冰乙酸的体积比为10:1。
12.进一步的技术方案为，步骤(3)中加入掺杂钒的光催化剂后的搅拌时间为20～30分钟，加入硝酸铵后的搅拌时间为100～150分钟。
13.进一步的技术方案为，步骤(3)中干燥温度为80℃，干燥时间为12h，自然冷却后研磨至30～60微米。
14.进一步的技术方案为，步骤(3)中硝酸铵溶液的浓度为0.19g/ml。
15.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用液相法使高炉渣的晶体结构改变，使晶粒被细化，使比表面积增加，从而提高了光催化效率。本技术的钒氮共掺杂高炉渣光催化剂因其存在协同作用，使降解效率可以达到97％，相比于未掺杂的高炉渣光催化剂提高了43％，相比于只掺杂钒的高炉渣提高15％。
附图说明
16.图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
17.实施例1：
18.一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料的制备方法，包括以下步骤：
19.1.首先利用球磨机将高炉渣研磨至100目～200目后，再使用玛瑙研钵手磨几十微米级。
20.2.取预处理后的10g高钛型高炉渣放入玛瑙研钵中，并与1.42g(掺杂量为45％)的偏钒酸铵进行手动混合，时间为约120min。再使用多元系固相烧结的方法制备掺杂钒的光催化剂，将混合物放入800℃的马弗炉下进行煅烧，时间约为两小时。
21.3.待其自然冷却至室温，再使用玛瑙研钵手磨至几十微米级，得到掺杂钒的高钛型高炉渣的光催化剂。
22.4.采用液相法，以掺杂钒后的高钛型高炉渣为原料，硝酸铵作为氮源，冰乙酸作为水解抑制剂，去超纯水作为溶剂。首先在50ml去超纯水中，加入掺杂钒的新型光催化剂，同时置于磁力搅拌器上剧烈搅拌，时间约为20min。同时朝烧杯中逐滴加入5ml冰乙酸形成溶液a。接着配制硝酸铵溶液，往10ml的去离子水中加入2.3549g(掺杂量为30％)的硝酸铵；再往溶液a中逐滴加入硝酸铵溶液，强烈搅拌，时间约为120min；最后将溶液放入80℃的烘箱中干燥；干燥后，将烘干固体使用玛瑙研钵研磨120min直至其达到几十微米级，将得到的混合物在200℃下烧结，烧结时间为2h。待2h后再使用玛瑙研钵将其手磨至几十微米级，时间约为120min,最终得到钒氮共掺杂高钛型高炉渣的光催化剂。
23.5.实验中目标降解物为亚甲基蓝，在光催化反应器中，加入650ml 10mg/l的亚甲基蓝溶液，并倒入0.26g光催化剂，使用磁力搅拌器将其混合。暗反应15min，使混合液达到平衡，打开汞灯，在紫外光灯下进行光催化反应，每间隔15min取样一次，然后使用移液管每次移取15ml亚甲基蓝待测液于离心管中，时间120min。并以4000r/min转速在离心机中离心8min。用紫外可见光光度计测定亚甲基蓝溶液在波长664nm的吸光度值，计算出亚甲基蓝溶液的降解效率。该样品的降解效率达到88.3％。
24.实施例2：
25.一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料的制备方法，包括以下步骤：
26.1.首先利用球磨机将高炉渣研磨至100目～200目后，再使用玛瑙研钵手磨几十微米级。
27.2.取预处理后的10g高钛型高炉渣放入玛瑙研钵中，并与1.42g(掺杂量为45％)的偏钒酸铵进行手动混合，时间为约120min。再使用多元系固相烧结的方法制备掺杂钒的光催化剂，将混合物放入800℃的马弗炉下进行煅烧，时间约为两小时。
28.3.待其自然冷却至室温，再使用玛瑙研钵手磨至几十微米级，得到掺杂钒的高钛型高炉渣的光催化剂。
29.4.采用液相法，以掺杂钒后的高钛型高炉渣为原料，硝酸铵作为氮源，冰乙酸作为水解抑制剂，去超纯水作为溶剂。首先在50ml去超纯水中，加入掺杂钒的新型光催化剂，同时置于磁力搅拌器上剧烈搅拌，时间约为20min。同时朝烧杯中逐滴加入5ml冰乙酸形成溶液a。接着配制硝酸铵溶液，往10ml的去离子水中加入2.3549g(掺杂量为30％)的硝酸铵；再往溶液a中逐滴加入硝酸铵溶液，强烈搅拌，时间约为120min；最后将溶液放入80℃的烘箱中干燥；干燥后，将烘干固体使用玛瑙研钵研磨120min直至其达到几十微米级，将得到的混合物在300℃下烧结，烧结时间为2h。待2h后再使用玛瑙研钵将其手磨至几十微米级，时间约为120min,最终得到钒氮共掺杂高钛型高炉渣的光催化剂。
30.5.实验中目标降解物为亚甲基蓝，在光催化反应器中，加入650ml 10mg/l的亚甲基蓝溶液，并倒入0.26g光催化剂，使用磁力搅拌器将其混合。暗反应15min，使混合液达到平衡，打开汞灯，在紫外光灯下进行光催化反应，每间隔15min取样一次，然后使用移液管每次移取15ml亚甲基蓝待测液于离心管中，时间120min，并以4000r/min转速在离心机中离心8min。用紫外可见光光度计测定亚甲基蓝溶液在波长664nm的吸光度值，计算出亚甲基蓝溶液的降解效率。该样品的降解效率达到90.2％左右，为效果最佳方案。
31.实施例3:
32.一种钒氮共掺杂含钛高炉渣光催化材料的制备方法，包括以下步骤：
33.1.首先利用球磨机将高炉渣研磨至100目～200目后，再使用玛瑙研钵手磨几十微米级。
34.2.取预处理后的10g高钛型高炉渣放入玛瑙研钵中，并与1.42g(掺杂量为45％)的偏钒酸铵进行手动混合，时间为约120min。再使用多元系固相烧结的方法制备掺杂钒的光催化剂，将混合物放入800℃的马弗炉下进行煅烧，时间约为两小时。
35.3.待其自然冷却至室温，再使用玛瑙研钵手磨至几十微米级，得到掺杂钒的高钛型高炉渣的光催化剂。
36.4.采用液相法，以掺杂钒后的高钛型高炉渣为原料，硝酸铵作为氮源，冰乙酸作为水解抑制剂，去超纯水作为溶剂。首先在50ml去超纯水中，加入掺杂钒的新型光催化剂，同时置于磁力搅拌器上剧烈搅拌，时间约为20min。同时朝烧杯中逐滴加入5ml冰乙酸形成溶液a。接着配制硝酸铵溶液，往10ml的去离子水中加入2.3549g(掺杂量为30％)的硝酸铵；再往溶液a中逐滴加入硝酸铵溶液，强烈搅拌，时间约为120min；最后将溶液放入80℃的烘箱中干燥；干燥后，将烘干固体使用玛瑙研钵研磨120min直至其达到几十微米级，将得到的混合物在500℃下烧结，烧结时间为2h。待2h后再使用玛瑙研钵将其手磨至几十微米级，时间约为120min,最终得到钒氮共掺杂高钛型高炉渣的光催化剂。
37.5.实验中目标降解物为亚甲基蓝，在光催化反应器中，加入650ml 10mg/l的亚甲
基蓝溶液，并倒入0.26g光催化剂，使用磁力搅拌器将其混合。暗反应15min，使混合液达到平衡，打开汞灯，在紫外光灯下进行光催化反应，每间隔15min取样一次，然后使用移液管每次移取15ml亚甲基蓝待测液于离心管中，时间120min，并以4000r/min转速在离心机中离心8min。用紫外可见光光度计测定亚甲基蓝溶液在波长664nm的吸光度值，计算出亚甲基蓝溶液的降解效率。该样品的降解率达到降解效率已经降低至74.3％
38.对比例1：
39.在光化学反应仪中，加入650ml配制好的浓度为10mg/l亚甲基蓝溶液置于磁力搅拌器上，并打开磁力搅拌器。在添加0.26g光催化剂和不添加光催化剂的条件下，使用磁力搅拌器将其混合。暗反应15min,使混合液达到平衡。打开汞灯，紫外光灯下进行光催化反应，每隔15min取样一次，然后使用移液管每次移取15ml亚甲基蓝待测液于离心管中，时间120min，并在离心机中以4000r/min转速离心8min。用紫外可见光光度计测定亚甲基蓝溶液在波长664nm的吸光度值，并计算出亚甲基蓝溶液的降解效率。其中，未添加光催化剂的亚甲基蓝的降解率只有50％，添加了光催化剂后的亚甲基蓝降解率可达到97％
40.对比例2：
41.在光化学反应仪中，加入高炉渣原样0.26g，并加入650ml的浓度为10mg/l亚甲基蓝溶液置于磁力搅拌器上，并打开磁力搅拌器。暗反应15min，使混合液达到平衡。打开汞灯，紫外光灯下进行光催化反应，每隔15min取样一次，然后使用移液管每次移取15ml亚甲基蓝待测液于离心管中，时间120min，并在离心机中以4000r/min转速离心8min。用紫外可见光光度计测定亚甲基蓝溶液在波长664nm的吸光度值，并计算出亚甲基蓝溶液的降解。该样品降解率达54％。
42.尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本技术公开的原则范围和精神之内。