焙烧时间对钛酸钙光催化性能的影响

焙烧时间对钛酸钙光催化性能的影响＊杨合，韩冲，李清伟，薛向欣（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳１１０００４）摘要：以ＣａＣＯ３和ＴｉＯ２为原料，焙烧温度为１５００℃，焙烧时间分别为２、４、６、８、１０ｈ的条件下焙烧得到ＣａＴｉＯ３。应用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、傅里叶红外变换光谱仪（ＦＴ－ＩＲ）、紫外－可见光漫反射光谱仪（ＵＶ－Ｖｉｓ）对焙烧后的物料进行了表征。实验结果表明，焙烧时间对合成ＣａＴｉＯ３的纯度影响很小；焙烧时间的延长使得ＣａＴｉＯ３微观形貌从不规则多边形向光滑曲面形变化，颗粒团聚现象越来越明显，堆积密实，尺寸增大；焙烧时间对钛酸钙光吸收能力的影响很小。在光催化性能评价实验中，随着焙烧时间的延长，亚甲基蓝的降解率和降解速率降低，反应速率常数最多可降低接近５０％；钛酸钙降解亚甲基蓝溶液比较符合一级反应动力学特征。关键词：钛酸钙；亚甲基蓝；光催化性能；焙烧时间；动力学特征中图分类号：ＴＢ３２１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９７３１（２０１０）１１－１８８８－０４１引言我国含钛高炉渣的堆积量及产量逐年增加，不仅造成资源上的浪费，也给当地的生态环境带来严重的危害，该炉渣的利用问题已经成为亟待解决的问题之一［１－４］。含钛高炉渣中钛元素的存在，使得其矿相与普通高炉渣相比有着较大区别。含钛高炉渣的成分更加复杂，有着较多的含钛物相，造成其整体性质的复杂性，而使得其利用有着很大的困难［５－１０］。近些年来，关于含钛高炉渣的综合利用研究已有了较大的发展，但是还未找到合理利用的途径，尤其是对含钛高炉渣中单个物相对整体性质影响的研究非常少。我课题组研究发现，含钛高炉渣有光催化性能，有望能够成为光催化材料而得到合理应用［１１，１２］。本文以含钛高炉渣中的主要物相之一的钛酸钙作为研究对象，为能够了解钛酸钙在含钛高炉渣的整体光催化性能中所起的作用，首先探讨纯钛酸钙光催化性能的机理，以希望能够模拟含钛高炉渣中的钛酸钙。所以，以碳酸钙和二氧化钛作为原料，对其在１５００℃不同焙烧时间条件下进行焙烧处理，合成纯钛酸钙，通过降解亚甲基蓝，探讨了焙烧时间对钛酸钙的光催化性能的影响，这将对研究含钛高炉渣的整体性质有着重要的作用。２实验２．１试剂与实验设备ＣａＣＯ３（ＡＲ，国药集团化学试剂有限公司）；ＴｉＯ２（ＣＰ，国药集团化学试剂有限公司）；无水乙醇（ＡＲ，国药集团化学试剂有限公司）；亚甲基蓝（ＡＲ，国药集团化学试剂有限公司）。２．２催化剂的制备与表征按摩尔比１∶１准确称取ＣａＣＯ３和ＴｉＯ２，然后置于玛瑙研钵中进行干磨，待混匀后按质量比１∶３加入无水乙醇进行湿混，当再次成粉末状时，应用压片机压成直径为１０ｍｍ的圆片。将试样放入刚玉坩埚中，置于马弗炉中。根据泰曼温度理论可知固体物质有效的固相反应必须在泰曼温度以上进行，ＣａＣＯ３在高温时将分解为ＣａＯ，则反应实际为ＣａＯ和ＴｉＯ２之间的固相反应，此固相反应的泰曼温度约在１４００～１５００℃。所以选择在１５００℃、不同焙烧时间条件下进行焙烧，以合成ＣａＴｉＯ３。利用ＸＲＤ（ＤＸ－２６００型）、ＦＴ－ＩＲ（Ｎｉｃｏｌｅｔ－３８０型）对样品进行分析，确定光催化剂的相结构；利用ＳＥＭ（Ｓ－３４００Ｎ型）对光催化剂的微观形貌进行分析；利用ＵＶ－２５５０ＰＣ型紫外－可见分光光度计测试光催化剂的光吸收能力及评价其光催化性能。２．３钛酸钙的光催化实验光催化还原实验在流动式光化学反应器（如图１）中进行，反应器中心设有１只５００Ｗ（主波长为３６５ｎｍ）的汞灯，在灯与反应液之间用石英冷阱隔开，石英冷阱内循环冷却水，利用循环冷却水保持反应液温度基本恒定。实验过程中反应温度控制在２５℃左右。称取０．１ｇ的钛酸钙加入１００ｍＬ含有浓度为１ｍｇ／Ｌ亚甲基蓝溶液的储液槽中，通过磁力搅拌维持反应器中催化剂处于悬浮状态，通过蠕动泵使反应液在储液槽和反应器中循环（流量为２５ｍＬ／ｍｉｎ）。进行光催化反应前，在黑暗中搅拌反应液直到溶液浓度不再变化，达到吸附／脱附平衡为止。光催化反应过程中，每隔３０ｍｉｎ取１次样。样品经离心后，用ＵＶ－２５５０紫外－可见分光光度计测定滤液的吸光度，并根据标准曲线换算成相应的浓度。通过测定亚甲基蓝的降解率来评价催化剂的催化活性：８８８１２０１０年第１１期（４１）卷＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７４０２９）；国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２００７ＣＢ６１３５０４）；中央高校基本科研业务费资助项目（Ｎ０９０４０２０１１）收到初稿日期：２０１０－０３－０２收到修改稿日期：２０１０－０９－１５通讯作者：杨合作者简介：杨合（１９７０－），男，内蒙古突泉人，副教授，博士，从事固体综合利用研究。ｑ＝ｃ０－ｃｔｃ０×１００％（１）式中，ｃ０为达到吸附平衡后的浓度作为光催化反应