水泥净浆光催化涂层的制备及其对有机染料的降解性能

李香兰，彭小英，2，冯胜雷

1.江西科技学院土木工程学院，江西 南昌 330098；2.江西科技学院绿色建筑研究所，江西 南昌 330098；3.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038

0 前言

随着工业经济的快速发展，环境污染已成为迫切需要解决的关键问题。其中，化学、纺织、制药、农业和医药等行业排放的水污染是最严重的环境污染之一。在众多处理水污染的技术中，光催化技术因其较高的氧化还原能力、降解彻底、温和的反应条件和绿色无污染而受到国内外学者的广泛关注［1］［2］［3］。光催化技术的核心要素之一是光催化剂，在众多光催化材料中，纳米TiO2由于其相对低廉的价格、化学性质稳定和较高的光催化活性特征而得到了广泛的应用［4］［5］。然而，纳米光催化剂由于粒径较小，使其难以从溶液中回收［6］。因此，如果能够找到化学稳定、成本低和应用范围广的载体用于负载光催化剂，便可以减少改善固液分离问题。作为广泛使用的建筑材料之一，水泥因为具有较强的粘结能力、良好的耐久性能、易于加工和成本低廉等特点，而成为负载纳米光催化剂的良好载体［7］。纳米TiO2通常以三种方式负载在水泥上：1）直接将TiO2与水泥粉体混合；2）将TiO2浆料浸入水泥块体中；3）将TiO2粉体撒在新制水泥净浆表面。但是，这些方法存在着光催化效率低、结合能力弱和分散不均匀等问题［8］［9］［10］。本研究提出了一种新的负载方式，使用细线将TiO2乳液铺展到水泥净浆表面，干燥后形成负载TiO2光催化涂层的水泥净浆，研究了该涂层的微观形貌、负载量和溶液pH 对光催化性能的影响。

1 试验

1.1 材料

实验所用水泥为I 型P·O42.5 水泥，密度为3.08 g/cm3、布莱恩细度为3289 cm2/g，该水泥的主要化学成分如表1 所示。纳米P25 TiO2粉体购自德国德固赛公司。防水乳液（符合GB/T 23445-2009 标准）由中国莱士德公司提供。罗丹明B（RhB）购自国药控股有限公司。

表1 普通硅酸盐水泥的主要化学成分 单位：wt%

1.2 光催化涂层的制备

以30g 水泥粉体、0.35 的水胶比制备直径10cm、高3cm 的水泥净浆试块，在标准养护室（21℃，95%相对湿度）中养护1 天。将不同质量的纳米TiO2粉体（0.025，0.05，0.075 或0.1 g）加入到2 g 防水乳液中并超声分散5 min。然后，将混合乳液放在预润湿的水泥块表面上，并用细丝线将其铺展开。在60℃下将水泥净浆试块干燥30 min 后，得到具有光催化涂层的水泥净浆试块。当TiO2加入量为0.025、0.05、0.075 和0.1 g，制备的水泥净浆试块分别标记为P0.025、P0.05、P0.075 和P0.1，不加入TiO2粉体时制备的水泥净浆试块作为对照样品，记为Control。

1.3 表征

通过扫描电镜（SEM，Quanta 250FEG，美国FEI 公司）观察涂层表面的微观形貌和断面的涂层厚度，测试电压为20 V，电流为20 A，测试前样品喷金。

1.4 光催化测试

通过在光催化反应器中进行光催化降解模拟实验，采用长弧氙灯（300 W，GXH300，上海季光特种照明电器厂）来模拟可见光光源。实验前，先将光催化水泥净浆样品放入反应器中，然后加入50 ml、浓度为1 g/L 的RhB 溶液中，光照前进行30 min的暗吸附实验。降解过程中，每隔10 min 吸取3mL RhB 溶液在紫外-可见分光光度计（721 型，上海舜宇恒平科学仪器有限公司）上进行透光率测试，波长设置为554 nm，测试完成后将RhB 溶液倒回反应器中继续进行降解。溶液降解率计算如下：

Co 和Ao 分别为初始RhB 溶液浓度值和吸光度；Ct 和At分别为照射时间t 后的RhB 溶液浓度值和吸光度。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

图1 为TiO2光催化涂层的微观形貌。从图上可以看出，TiO2颗粒牢固地附着在水泥试块的表面。随着防水乳液中TiO2含量增加，水泥净浆试块表面附着了更多的TiO2颗粒。图1A为P0.025 的微观形貌图，TiO2颗粒比较稀少。图1B 为P0.05的微观形貌图，TiO2颗粒比较稀少但较P0.025 要多。图1C 为P0.075 的微观形貌图，TiO2颗粒比较多且分布比较均匀。图1D 为P0.1 的微观形貌图，TiO2颗粒虽然比较多，但是很多颗粒堆积在了一起。图1E 图是P0.075 的截面图，可以看到光催化涂层厚度约为75 μm，涂层下面是水泥净浆试块，这可以从其中的C-S-H（水化硅酸钙）得到确认。

图1 TiO2光催化涂层的微观形貌。A 为P0.025；B 为P0.05；C 为P0.075；D 为P0.1；E 为P0.075 的截面

2.2 负载量对光催化性能的影响

图2 是负载不同TiO2量的水泥净浆试块对RhB 的降解曲线。从图中可以看出，光解和Control 样品对RhB 降解曲线几乎重合，RhB 光解是因为染料敏化作用，光照50 min 后降解了17.6%。当水泥净浆试块负载不同质量的TiO2时，其对RhB染料的降解速率也不同，光照50 min 后P0.025、P0.05、P0.075和P0.1 对RhB的降解效率分别为91.9%、95.6%、97.6% 和87.9%。随着光催化剂量的增多光催化效率增加，降解效率顺序为P0.025＜P0.05＜P0.075，达到一定量再增加后光催化速率反而减小，P0.075 的降解效率优于P0.1。这是因为当负载量超过一定比例时，过多的光催化剂会相互覆盖（见图1），阻碍了光催化剂对紫外线的吸收，导致光催化效率降低。胡春等［11］研究了不同质量TiO2在天然粘土矿物凹凸棒上的负载，当TiO2含量为2%时，TiO2在凹凸棒表面分布均匀，增加了催化剂比表面积，但是当TiO2含量为8%时，比表面积降低，表明TiO2加入过量，产生了TiO2多层的负载，影响了光催化剂对光线的吸收，降低了光催化降解效率。

图2 负载不同质量TiO2的光催化水泥净浆对RhB 的降解曲线

3 结论

以细线涂抹法在水泥净浆的表面负载了含TiO2的防水乳液，干燥后制备了含光催化涂层的水泥净浆试块。当2 g 防水乳液中TiO2含量为0.075 g 时，TiO2在水泥净浆表面含量合适且分布均匀。光照50 min 后，光催化水泥净浆对50 ml、浓度为1 g/L 的RhB 降解效率为97.6%。细线涂抹法及制备的光催化水泥净浆为工业废水处理技术提供了新的方向。