麥飯石復(fù)合材料應(yīng)用于工業(yè)廢水處理的探討

杜艷華 張克偉（黑龍江昊華化工有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 麥飯石概述

麥飯石是我國(guó)歷史悠久的天然礦石，早在明朝李時(shí)珍《本草綱目》中就有麥飯石藥用的相關(guān)記載。天然麥飯石外觀神似大麥米煮熟的飯團(tuán)，并由此得名。多孔狀和海綿狀結(jié)構(gòu)決定麥飯石具有非常強(qiáng)的吸附性，既能吸附水中一些有害元素，還對(duì)某些化合物表現(xiàn)了良好的吸附性能。此外，麥飯石水溶液含有大量的礦物質(zhì)和微量元素，這些溶出物質(zhì)使得處理后的麥飯石溶液具有一定的生物活性。天然麥飯石主要含有硅酸鹽和氧化物等難溶礦物，其主要化學(xué)成分是Al2O3。Al元素具有典型的酸堿兩性，因此麥飯石表現(xiàn)為對(duì)水溶液具有取向調(diào)節(jié)pH緩沖作用[1]。

隨著近年工業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，氨氮污水排放量急劇上升，去除工業(yè)廢水中氨氮的研究也得到更多的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外去除氨氮多采用成本較低、操作方便的吸附法，吸附劑大多采用沸石[2]。電鍍、化工等重污染行業(yè)每年產(chǎn)生大量重金屬?gòu)U水，重金屬離子進(jìn)入水環(huán)境后直接威脅人體健康。目前多是應(yīng)用吸附法對(duì)含重金屬離子廢水進(jìn)行處理，效果顯著。常用吸附劑有包括樹(shù)脂、活性炭等，但受較高的成本所限很難得到推廣使用。因此，開(kāi)發(fā)好兼有價(jià)格優(yōu)勢(shì)和高吸附性能的新型吸附材料成為適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的未來(lái)方向。麥飯石來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，可通過(guò)離子交換和表配位吸附重金屬離子，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明麥飯石和負(fù)載TiO2麥飯石對(duì)水中Pb2+和Cd2+具有較強(qiáng)吸附性能，可進(jìn)一步探討吸附劑用量、初始pH、Pb2+和Cd2+的初始濃度、吸附時(shí)間等因素對(duì)吸附效果的影響。

2 TiO2光催化劑的負(fù)載

納米TiO2光催化劑在當(dāng)前的應(yīng)用中，主要采取下面兩種方式進(jìn)行負(fù)載。其一是采用通風(fēng)攪拌或者機(jī)械攪拌的方法，將納米TiO2粉體均勻分散在被降解溶液中，稱(chēng)為懸浮體系。由于懸浮體系中納米TiO2顆粒細(xì)小，存在難以回收的缺點(diǎn)，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。其二是將納米TiO2負(fù)載在各種載體上，制得負(fù)載型光催化劑，由于其不影響實(shí)際應(yīng)用，近年來(lái)得到迅速發(fā)展。若能使用較為先進(jìn)的負(fù)載技術(shù)，便能充分發(fā)揮納米TiO2光催化劑的作用[3]。隨著相關(guān)研究和應(yīng)用的深入，負(fù)載型TiO2光催化劑已經(jīng)引起了人們的重視，TiO2顆粒與載體之間的相互作用可以促進(jìn)新型復(fù)合光催化劑催化活性的提高。

2.1 Ti02光催化劑的制備

光催化劑制備的方法多種多樣，按照制備條件的不同，可以分為：氣相制備法和液相制備法兩大類(lèi)。氣相制備包括有機(jī)/無(wú)機(jī)鈦前驅(qū)物氣相沉積法等，例如商品催化劑P25的制備所采用的TiCl4氣相燃燒法。這種方法首先是將前驅(qū)體與反應(yīng)氣(氫氣和氧氣)充分混合后在高溫條件下燃燒，在發(fā)生高溫水解后進(jìn)一步反應(yīng)可以制得TiO2，該方法制得的催化劑晶相是呈銳鈦礦和金紅石并存的混晶。液相制備法包括溶膠-凝膠法(Sol-Gel)，水熱法，油包水微乳液法等。溶膠-凝膠法是目前為止制備負(fù)載型多孔TiO2的常用方法。根據(jù)前驅(qū)體鈦醇鹽的水解-共凝聚原理，通過(guò)控制反應(yīng)進(jìn)程，可制得TiO2單分散粉末、薄膜以及TiO2纖維等產(chǎn)品。使用液體溶劑，在高溫高壓條件下制備含鈦前驅(qū)體，通過(guò)成核和晶體生長(zhǎng)過(guò)程，產(chǎn)品經(jīng)水洗、干燥后得到TiO2粉末，這種TiO2制備方法稱(chēng)為水熱法。水熱法制備的TiO2晶體特點(diǎn)是呈多種組成、結(jié)構(gòu)、形貌，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)所需高結(jié)晶度催化劑制備方面被廣泛采用。本研究采用溶膠-凝膠法制成新型TiO2/麥飯石復(fù)合物光催化性能穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)表明載體與TiO2顆粒結(jié)合牢固，同時(shí)有效避免TiO2微粉不易回收利用的問(wèn)題。

2.2 吸附-光催化技術(shù)研究

研究表明，TiO2的吸附能力較差，特別是對(duì)非極性物質(zhì)的吸附能力很弱，這是由其極性結(jié)構(gòu)決定的。由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，化學(xué)反應(yīng)物濃度影響化學(xué)反應(yīng)的速率。當(dāng)TiO2光催化劑發(fā)揮催化性能時(shí)，其表面污染物的低吸附量將產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率降低。將TiO2與吸附劑結(jié)合，可以有效彌補(bǔ)其吸附性能的不足。兼有吸附功能的載體能夠?qū)⒋罅课廴疚镂降綇?fù)合催化劑表面，使局部污染物濃度達(dá)到較高值，從而提高光催化反應(yīng)速率。黃正宏[3]等總結(jié)了炭與TiO2光催化劑的復(fù)合方式對(duì)復(fù)合催化劑性能的影響，指出炭與TiO2的復(fù)合呈現(xiàn)多樣化的特征，炭不僅可以富集目標(biāo)污染物，還可以抑制水蒸氣和其他組分對(duì)光催化降解的影響，抑制熱處理時(shí)TiO2晶相的生成。利用天然麥飯石做載體制備的新型TiO2/麥飯石復(fù)合光催化材料具有良好的催化性能，麥飯石的高吸附性能與TiO2證實(shí)的光催化性能具有協(xié)同作用。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，麥飯石應(yīng)用主要在保健、食品、農(nóng)業(yè)以及工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于麥飯石負(fù)載光催化材料方面的報(bào)道還不多見(jiàn)。麥飯石可以將大量污染物吸附至復(fù)合光催化劑表面，在局部形成較高的污染物濃度，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)正向進(jìn)行。新型TiO2/麥飯石復(fù)合光催化劑的研究具有一定的創(chuàng)新性，將其應(yīng)用于吸附降解廢水中污染物，在天然材料的開(kāi)發(fā)利用用方面值得深入探索。

[1]譚杰，蔣惠娟，鄧澤元，等.麥飯石礦化水及其在發(fā)酵酒中的應(yīng)用.食品科學(xué)，2003，24（3）：95-99.