[发明专利]掺杂二氧化钛托玛琳陶瓷球光催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米二氧化钛催化剂技术领域，具体涉及掺杂的TiO₂复合光催化剂及其制备方法。具体涉及负载在托玛琳陶瓷球（Tourmaline Ceramic Ball,简称TCB）上的掺杂TiO₂复合光催化剂及其制备方法。还涉及对水中难分解的各种有害有机物(HarmfulOrganic Compounds,简称HOCs)的深度处理的应用。

背景技术

随着工农业的发展，大量的且不断增加的HOCs最终必然进入到自然界的水循环体系中，并不可避免地出现在饮用水中；特别是人兽药物的滥用、电子和塑料垃圾的泛滥，使新兴的有机有害物在饮用水中不断涌现；它们所具有的高毒性和极强的生物蓄积性，即使含量极微，也会对人类的健康构成极大的风险。在我国，水系中个别持久性有机污染物的水平处在全球范围内的高端^[1]。

彻底清除饮用水中的HOCs对保障人类健康是必需的，目前我国的饮用水处理工艺中，根本没有考虑对HOCs的清除。目前普遍认为：对水中成分复杂，物化性质复杂的HOCs的清除，属于饮用水的深层处理，是非常艰难的。一些研究所提出的吸附方法不仅不能将其彻底清除掉，而且从环境整体上看，只是起到了浓缩转移的效果；另一些研究所采用的氧化分解法，必须使用适应广泛的强氧化剂，而强氧化剂不仅成本高、操作危险，而且容易导致水体的二次污染^[2]。

纳米TiO₂晶体作为光催化剂，在波长小于387.5nm的紫外线照射下，能产生电子和空穴对，即载流子，能使氧分子产生具有强氧化作用的羟基自由基，进而产生氧化分解作用，可分解与之接触的包括细菌在内的几乎所有的难分解的有机化合物，最终使之转化成CO₂，产生“零”废物。但是，由于纳米粒子难回收，不能重复利用；光生载流子很容易重新复合，光催化的量子效率很低；纯粹的纳米TiO2需要紫外线的辅助才能引发催化反应，而实际太阳光线中紫外线只占3％～5％，催化分解效率极低，等种种原因，使看似很有价值的新型材料很难应用到对水中HOCs的深处理上。

我们将掺杂多种微量杂元素的纳米TiO₂负载在具有天然自净化能力的材质TCB上，制得了TiO₂/TCB复合光催化剂，将纳米TiO₂的催化分解作用与TCB的吸附作用和特殊的电化学性能相结合，大幅提高了对环境中HOCs的分解破坏能力，既能在可见光下，显著地增强光催化氧化的分解效率，又便于回收和长久使用。实验证明，应用于水中微量HOCs的深处理，是一种接近于自然自净化的深处理方法。

有关多元素共掺杂的TiO₂负载在TCB上的光催化剂，并将其应用于水的健康环保深层处理上，国内外无文献报道。

发明内容

为了利用可见光对环境中HOCs进行零废物的、持久的深度降解处理，本发明提出了一种负载在TCB上的多元素共掺杂TiO₂/TCB复合光催化剂及制备方法以及对水中HOCs深处理的应用。多元素共掺杂TiO₂/TCB复合光催化剂的多种因素协同作用，能在可见光下，分解有机物质，不仅大大提高了光催化效率和太阳光的利用效率，而且便于回收和长期利用，可应用于各种水质处理上。

本发明的掺杂二氧化钛托玛琳陶瓷球光催化剂，掺杂两种以上元素的纳米二氧化钛负载在托玛琳陶瓷颗粒构成的复合光催化剂。掺杂两种以上元素的共掺杂中含有一种金属元素和氮、硫、磷中的一种以上非金属元素；所掺杂的金属元素包括元素周期表中的过渡元素和稀土元素。