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攀西某改性高炉钛渣光催化性能研究*

2023-11-26付霆威殷成哲李永皓郭飞超张锦旗

现代矿业 2023年10期
关键词:钙钛矿光催化剂光催化

付霆威 殷成哲 李永皓 郭飞超 饶 博 张锦旗

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

我国攀西地区拥有丰富的钒钛磁铁矿,经过几十年的开发利用,已堆积有约7 000 万t 钛渣,且约以380万t/a的速度增长,严重威胁当地的生态环境[1-2]。

目前,钛渣利用途径包括提取有价成分、直接利用和改性制备材料等。直接利用是用钛渣部分替代水泥、混凝土、砖瓦、玻璃等生产的原料[3],使钛渣有效、快速地得到消纳,但为了得到符合要求的原料,往往会增加生产工艺过程和成本,不利于高值化开发。改性制备材料主要是利用改性工艺使钛渣具有良好的特殊功能属性,如制备光催化材料[4]、功能肥料[5]、吸附剂[6]等。对钛渣中有价组分进行提取,虽可极大地提高其综合利用价值,但就目前的技术水平,该提取过程需要破坏矿物的晶体结构,存在工艺复杂、反应条件要求高等问题。因此,科学利用钛渣具有重要意义。

根据钛渣中组分的化学反应特性,基于含钛组分具有光催化性能的特点,研究采用酸浸焙烧法提取出钛酸钙组分,研究了其光催化性能,为钛渣利用提供新思路。

1 试验原料、试剂及仪器设备

(1)试验原料。试验原料为攀钢高炉钛渣,主要化学成分分析结果见表1,XRD 图谱见图1,碎磨至-0.074 mm占90%备用。

从图1 可以看出,钛渣的主要矿物成分为透辉石、钙钛矿、钙铁辉石。

(2)试验试剂及仪器设备。试验用盐酸、亚甲基蓝等均为分析纯试剂。试验用主要仪器设备有紫外分光光度计(UV-1100型)、变频行星式球磨机(ND7-4L型)、马弗炉(KRY-20型)等。

2 试验方法

(1)钛酸钙的提取。根据钛渣中不同组分与盐酸反应性能的差异,探索试验确定的钛酸钙提取过程:按照液固质量比2∶1 将浓度为6 mol/L 的盐酸和钛渣加入锥形瓶中,在90 ℃下反应3 h,冷却后过滤,用蒸馏水洗涤至中性,烘干得到的酸浸渣,然后在500 ℃下焙烧1 h,冷却后取出即得酸浸焙烧渣。

(2)光催化试验。取适量的光催化剂(酸浸渣或酸浸焙烧渣)加入50 mL 一定浓度的亚甲基蓝溶液中,搅拌吸附20 min 后,以250 W 高压汞灯(波长300 nm)为光源,光催化反应一定时间,然后测定亚甲基蓝的残余浓度,并计算降解率,以评判光催化剂的光催化性能。

3 试验结果与讨论

3.1 催化剂性能表征

为了考察钛酸钙组分经酸浸焙烧后富集提取情况,对比分析了原渣、酸浸渣和酸浸焙烧渣的XRD 图谱和SEM形貌,结果分别见图2、图3。

从图2 可以看出,与原渣(图1)的XRD 图谱相比,酸浸渣及酸浸焙烧渣中钙钛矿含量明显增加。这是由于原渣中的透辉石、钙铁辉石等与盐酸发生化学反应而较快溶解,而钙钛矿与盐酸的反应缓慢,所以在酸浸产物中的含量增加。

从图3 可以看出,与原渣相比,酸浸渣和酸浸焙烧渣表面孔隙更丰富,这有利于提高光催化性能。

3.2 光催化剂吸附性能研究

光催化反应受光生电子产额、电子空穴复合率和光生电子与反应物的接触反应几率的影响。为研究光催化剂对亚甲基蓝的吸附性能,试验用亚甲基蓝溶液的浓度为8 mg/L,取不同量的光催化剂在黑暗环境下避光吸附20 min,考察催化剂用量和吸附率的关系,结果见图4。

从图4 可以看出,随着催化剂用量的增大,亚甲基蓝吸附率上升,与用量呈线性关系,表明单位质量光催化剂的吸附量没有明显变化,因此,该吸附为物理吸附;酸浸焙烧渣的吸附能力优于酸浸渣,这是由于焙烧能增加催化剂的表面孔隙,同时焙烧过程还有利于增加吸附活性位点。

3.3 光催化性能研究

3.3.1 光催化剂用量试验

光催化剂用量试验固定亚甲基蓝浓度为8 mg/L、光催化反应时间为30 min,试验结果见图5。

从图5 可以看出,随着光催化剂用量的增大,光催化降解效果先显著增强后均小幅下降;当酸浸渣添加量为0.3 g/L、酸浸焙烧渣添加量为0.2 g/L 时,亚甲基蓝的降解率分别达到最大值51.32%和56.64%。这是由于适当增大光催化剂用量有利于光与催化剂作用,产生更多的光生电子,促进光催化反应;当这种状况达到最大值后继续增大光催化剂用量,非光催化活性组分透辉石、钙铁辉石等会影响光催化反应,降低亚甲基蓝的光催化降解。

3.3.2 光催化时间试验

光催化时间试验固定添加酸浸渣0.3 g/L或酸浸焙烧渣0.2 g/L、亚甲基蓝浓度为8 mg/L,试验结果见图6。

从图6 可以看出,随着光照时间的延长,光催化降解率先快速上升、后升幅趋缓,反应120 min 后亚甲基蓝的光催化降解率均超过90%,表明酸浸渣和酸浸焙烧渣均具有良好的光催化性能;酸浸焙烧渣不仅用量小,且相同时间下的光催化降解率更高,这一方面是由于焙烧提高了对亚甲基蓝的吸附性能,另一方面焙烧有利于提高钙钛矿的光催化活性[7]。

4 结论

(1)与原渣相比,酸浸渣及酸浸焙烧渣中钙钛矿含量明显增加,且酸浸渣和酸浸焙烧渣表面孔隙更丰富,这些特征有利于提高光催化性能。

(2)随着光催化剂用量的增大,亚甲基蓝吸附率上升,与用量呈线性关系,因此该吸附为物理吸附;酸浸焙烧渣的吸附能力强于酸浸渣,这是由于焙烧能增加催化剂的表面孔隙,同时焙烧过程还有利于增加吸附活性位点。

(3)光催化剂用量增大光催化降解效果增强,酸浸渣的适宜添加量为0.3 g/L、酸浸焙烧渣为0.2 g/L,表明适当增大光催化剂用量有利于光与催化剂的作用,产生更多的光生电子,促进光催化反应;光照时间延长,光催化降解率呈先快后慢的上升趋缓,反应120 min 光催化降解率超过90%,表明酸浸渣和酸浸焙烧渣均具有良好的光催化性能;酸浸焙烧渣较小的用量,相同时间下的光催化降解率更高,一方面体现了焙烧提高了对亚甲基蓝的吸附性能,另一方面焙烧有利于提高钙钛矿的光催化活性。

(4)研究为高炉钛渣提供了一种新的高值化利用途径。

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