水泥凈漿光催化涂層的制備及其對(duì)有機(jī)染料的降解性能

李香蘭，彭小英，2，馮勝雷

1.江西科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江西 南昌 330098；2.江西科技學(xué)院綠色建筑研究所，江西 南昌 330098；3.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038

0 前言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染已成為迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。其中，化學(xué)、紡織、制藥、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等行業(yè)排放的水污染是最嚴(yán)重的環(huán)境污染之一。在眾多處理水污染的技術(shù)中，光催化技術(shù)因其較高的氧化還原能力、降解徹底、溫和的反應(yīng)條件和綠色無(wú)污染而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［1］［2］［3］。光催化技術(shù)的核心要素之一是光催化劑，在眾多光催化材料中，納米TiO2由于其相對(duì)低廉的價(jià)格、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和較高的光催化活性特征而得到了廣泛的應(yīng)用［4］［5］。然而，納米光催化劑由于粒徑較小，使其難以從溶液中回收［6］。因此，如果能夠找到化學(xué)穩(wěn)定、成本低和應(yīng)用范圍廣的載體用于負(fù)載光催化劑，便可以減少改善固液分離問(wèn)題。作為廣泛使用的建筑材料之一，水泥因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的粘結(jié)能力、良好的耐久性能、易于加工和成本低廉等特點(diǎn)，而成為負(fù)載納米光催化劑的良好載體［7］。納米TiO2通常以三種方式負(fù)載在水泥上：1）直接將TiO2與水泥粉體混合；2）將TiO2漿料浸入水泥塊體中；3）將TiO2粉體撒在新制水泥凈漿表面。但是，這些方法存在著光催化效率低、結(jié)合能力弱和分散不均勻等問(wèn)題［8］［9］［10］。本研究提出了一種新的負(fù)載方式，使用細(xì)線將TiO2乳液鋪展到水泥凈漿表面，干燥后形成負(fù)載TiO2光催化涂層的水泥凈漿，研究了該涂層的微觀形貌、負(fù)載量和溶液pH 對(duì)光催化性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用水泥為I 型P·O42.5 水泥，密度為3.08 g/cm3、布萊恩細(xì)度為3289 cm2/g，該水泥的主要化學(xué)成分如表1 所示。納米P25 TiO2粉體購(gòu)自德國(guó)德固賽公司。防水乳液（符合GB/T 23445-2009 標(biāo)準(zhǔn)）由中國(guó)萊士德公司提供。羅丹明B（RhB）購(gòu)自國(guó)藥控股有限公司。

表1 普通硅酸鹽水泥的主要化學(xué)成分 單位：wt%

1.2 光催化涂層的制備

以30g 水泥粉體、0.35 的水膠比制備直徑10cm、高3cm 的水泥凈漿試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（21℃，95%相對(duì)濕度）中養(yǎng)護(hù)1 天。將不同質(zhì)量的納米TiO2粉體（0.025，0.05，0.075 或0.1 g）加入到2 g 防水乳液中并超聲分散5 min。然后，將混合乳液放在預(yù)潤(rùn)濕的水泥塊表面上，并用細(xì)絲線將其鋪展開(kāi)。在60℃下將水泥凈漿試塊干燥30 min 后，得到具有光催化涂層的水泥凈漿試塊。當(dāng)TiO2加入量為0.025、0.05、0.075 和0.1 g，制備的水泥凈漿試塊分別標(biāo)記為P0.025、P0.05、P0.075 和P0.1，不加入TiO2粉體時(shí)制備的水泥凈漿試塊作為對(duì)照樣品，記為Control。

1.3 表征

通過(guò)掃描電鏡（SEM，Quanta 250FEG，美國(guó)FEI 公司）觀察涂層表面的微觀形貌和斷面的涂層厚度，測(cè)試電壓為20 V，電流為20 A，測(cè)試前樣品噴金。

1.4 光催化測(cè)試

通過(guò)在光催化反應(yīng)器中進(jìn)行光催化降解模擬實(shí)驗(yàn)，采用長(zhǎng)弧氙燈（300 W，GXH300，上海季光特種照明電器廠）來(lái)模擬可見(jiàn)光光源。實(shí)驗(yàn)前，先將光催化水泥凈漿樣品放入反應(yīng)器中，然后加入50 ml、濃度為1 g/L 的RhB 溶液中，光照前進(jìn)行30 min的暗吸附實(shí)驗(yàn)。降解過(guò)程中，每隔10 min 吸取3mL RhB 溶液在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（721 型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）上進(jìn)行透光率測(cè)試，波長(zhǎng)設(shè)置為554 nm，測(cè)試完成后將RhB 溶液倒回反應(yīng)器中繼續(xù)進(jìn)行降解。溶液降解率計(jì)算如下：

Co 和Ao 分別為初始RhB 溶液濃度值和吸光度；Ct 和At分別為照射時(shí)間t 后的RhB 溶液濃度值和吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

圖1 為TiO2光催化涂層的微觀形貌。從圖上可以看出，TiO2顆粒牢固地附著在水泥試塊的表面。隨著防水乳液中TiO2含量增加，水泥凈漿試塊表面附著了更多的TiO2顆粒。圖1A為P0.025 的微觀形貌圖，TiO2顆粒比較稀少。圖1B 為P0.05的微觀形貌圖，TiO2顆粒比較稀少但較P0.025 要多。圖1C 為P0.075 的微觀形貌圖，TiO2顆粒比較多且分布比較均勻。圖1D 為P0.1 的微觀形貌圖，TiO2顆粒雖然比較多，但是很多顆粒堆積在了一起。圖1E 圖是P0.075 的截面圖，可以看到光催化涂層厚度約為75 μm，涂層下面是水泥凈漿試塊，這可以從其中的C-S-H（水化硅酸鈣）得到確認(rèn)。

圖1 TiO2光催化涂層的微觀形貌。A 為P0.025；B 為P0.05；C 為P0.075；D 為P0.1；E 為P0.075 的截面

2.2 負(fù)載量對(duì)光催化性能的影響

圖2 是負(fù)載不同TiO2量的水泥凈漿試塊對(duì)RhB 的降解曲線。從圖中可以看出，光解和Control 樣品對(duì)RhB 降解曲線幾乎重合，RhB 光解是因?yàn)槿玖厦艋饔?，光?0 min 后降解了17.6%。當(dāng)水泥凈漿試塊負(fù)載不同質(zhì)量的TiO2時(shí)，其對(duì)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 對(duì)RhB的降解效率分別為91.9%、95.6%、97.6% 和87.9%。隨著光催化劑量的增多光催化效率增加，降解效率順序?yàn)镻0.025＜P0.05＜P0.075，達(dá)到一定量再增加后光催化速率反而減小，P0.075 的降解效率優(yōu)于P0.1。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載量超過(guò)一定比例時(shí)，過(guò)多的光催化劑會(huì)相互覆蓋（見(jiàn)圖1），阻礙了光催化劑對(duì)紫外線的吸收，導(dǎo)致光催化效率降低。胡春等［11］研究了不同質(zhì)量TiO2在天然粘土礦物凹凸棒上的負(fù)載，當(dāng)TiO2含量為2%時(shí)，TiO2在凹凸棒表面分布均勻，增加了催化劑比表面積，但是當(dāng)TiO2含量為8%時(shí)，比表面積降低，表明TiO2加入過(guò)量，產(chǎn)生了TiO2多層的負(fù)載，影響了光催化劑對(duì)光線的吸收，降低了光催化降解效率。

圖2 負(fù)載不同質(zhì)量TiO2的光催化水泥凈漿對(duì)RhB 的降解曲線

3 結(jié)論

以細(xì)線涂抹法在水泥凈漿的表面負(fù)載了含TiO2的防水乳液，干燥后制備了含光催化涂層的水泥凈漿試塊。當(dāng)2 g 防水乳液中TiO2含量為0.075 g 時(shí)，TiO2在水泥凈漿表面含量合適且分布均勻。光照50 min 后，光催化水泥凈漿對(duì)50 ml、濃度為1 g/L 的RhB 降解效率為97.6%。細(xì)線涂抹法及制備的光催化水泥凈漿為工業(yè)廢水處理技術(shù)提供了新的方向。