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| 硅藻土礦物復(fù)合材料研究現(xiàn)狀 |
| 來(lái)源：中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-03-06 11:18:30 瀏覽次數(shù)： |
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1 硅藻礦物復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀
（中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）由于硅藻土獨(dú)特的硅藻殼體結(jié)構(gòu)，本身具有較大的孔隙，且密度小、比表面積較大、吸水率高等特性，其在食品和藥品、健康與環(huán)保、保溫隔熱、化工等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。
目前，世界硅藻土消費(fèi)量超過(guò)200萬(wàn)t/年，主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)橹鸀V劑、保溫隔熱、功能填料和吸附劑（環(huán)保）等方面。美國(guó)硅藻土的主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)橹鸀V劑（約占67%），其次是功能填料和吸附劑（環(huán)保材料）；我國(guó)近幾年硅藻土年消費(fèi)量約為45 萬(wàn)噸，主要消費(fèi)領(lǐng)域是助濾劑和隔熱保溫材料，其次是功能填料和環(huán)保材料。
近年來(lái)，我國(guó)硅藻土進(jìn)出口貿(mào)易量不斷增加，但主要以出口干燥原土（一級(jí)土）和低檔助濾劑產(chǎn)品為主，高性能硅藻材料，如高性能硅藻土助濾劑、功能填料仍需進(jìn)口。因此，開(kāi)發(fā)具有高附加值、高性能的硅藻礦物新材料，對(duì)于優(yōu)化硅藻土產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高硅藻土產(chǎn)品的附加值以及滿足食品安全、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的需求具有重要意義。
硅藻土屬于一種有孔載體，具有良好的熱穩(wěn)定性及耐酸性，而且表面具有大量的自由羥基與締合羥基，是一種優(yōu)良的天然吸附劑與催化劑載體材料。硅藻土作為載體，具有以下幾種功能：①分散作用：以催化劑為例，催化作用一般發(fā)生在催化劑表面，因此要求催化劑中的活性組分具有足夠的比表面積和分散度；②支撐作用：載體一般具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，可賦予材料一定的形狀和大小，使其不易變形或發(fā)生次生團(tuán)聚，或符合工藝反應(yīng)器中流體力學(xué)條件的要求；③穩(wěn)定作用：載體可以防止活性組分的微晶發(fā)生半熔或再結(jié)晶；④助催化作用：載體可與活性組分發(fā)生較復(fù)雜的作用而導(dǎo)致催化劑活性、選擇性或抗毒性的變化，而且多孔載體的吸附特性往往能增強(qiáng)催化劑的催化效果；⑤傳熱和稀釋作用：維持整個(gè)反應(yīng)體系的熱平衡，減少單位體積催化劑的反應(yīng)熱。目前，以硅藻土作為載體，制備具有特殊性能的硅藻土復(fù)合材料已成為硅藻礦物材料新的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，并有著廣闊的應(yīng)用前景。本課題主要以納米TiO2、納米零價(jià)鐵為催化劑組分，以選礦后的硅藻精土為載體，制備兩種具有環(huán)境凈化功能的功能復(fù)合礦物材料。
2 TiO2-多孔非金屬礦物復(fù)合光催化材料
1972 年，日本科學(xué)家Fujishima 和Honda 在《Nature》上發(fā)表了一篇關(guān)于TiO2電極上光解水的論文，標(biāo)志著多相光催化技術(shù)研究的開(kāi)始。在特定波長(zhǎng)光照射條件下，半導(dǎo)體材料能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而促使某種化合物的合成或降解，這個(gè)過(guò)程被稱為光催化反應(yīng)。目前光催化技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)保及有機(jī)合成，其中，以光觸媒為代表的光催化產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防污、抗菌、空氣凈化等領(lǐng)域。
半導(dǎo)體光催化材料是光催化氧化技術(shù)的核心，而在所有已知的半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2應(yīng)用最為廣泛。然而，由于單一的TiO2納米粒子具有易團(tuán)聚、難回收、成本高等缺陷，導(dǎo)致其難于在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中廣泛推廣。采用載體負(fù)載納米TiO2制備的負(fù)載型納米TiO2復(fù)合光催化材料可以提高納米TiO2粒子分散性，增加催化劑活性位點(diǎn)，提高材料對(duì)污染物的吸附能力，且可達(dá)到使用后快速分離回收催化劑的目的。
光和催化劑的結(jié)合是光催化發(fā)揮作用的來(lái)源，只有被光激活的催化劑才具有催化效果，因此良好的光催化劑載體應(yīng)具有以下特質(zhì)：良好的透光性、比表面積較大、與TiO2顆粒間具有較強(qiáng)的結(jié)合力卻不影響TiO2光催化活性、能較強(qiáng)地吸附被降解后的污染物、良好的化學(xué)惰性并易于固液分離等。
在選擇載體時(shí)必須對(duì)以上各方面的因素加以綜合考慮和評(píng)定，使得制備的光催化材料具有光效率高、負(fù)載催化劑的牢固性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。多孔非金屬礦物材料常常具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及吸附性能，易于液-固和氣-固分離，使用過(guò)程中不會(huì)造成二次污染，而且儲(chǔ)量豐富，價(jià)廉易得，是納米TiO2光催化劑的理想載體。當(dāng)其作為納米TiO2光催化劑的載體時(shí)，可以利用其本身的離子交換性或吸附性將液相或氣相有機(jī)污染物富集在納米TiO2的表面，增加光催化劑與有機(jī)污染物的接觸機(jī)率，提高光降解效率。
常見(jiàn)的可作為催化劑載體的多孔非金屬礦物材料包括：層狀硅酸鹽類礦物，如高嶺石、膨潤(rùn)土、海泡石、累托石、云母、凹凸棒石、蛭石等；氧化物類礦物如石英、Al2O3 等；架狀硅酸鹽沸石以及硅藻土、蛋白土等非晶質(zhì)礦物。
劉超等、文明等采用水解沉淀法合成了納米TiO2/蛋白土復(fù)合材料，對(duì)甲醛的降解試驗(yàn)研究結(jié)果表明，這種復(fù)合光催化材料具有優(yōu)良的光催化降解性能，其24h 對(duì)甲醛的降解率可以達(dá)到90%以上；
賀洋等采用水解沉淀法制備了一種納米TiO2/海泡石復(fù)合材料，其2h 后甲醛氣體去除率可達(dá)到98%；黃妙良等采用溶膠-凝膠法制備了納米TiO2/天然沸石復(fù)合光催化材料，在紫外光下甲基橙染料廢水脫色率可達(dá)到96%；V. Durgakumari等采用固相擴(kuò)散法，制備了一種TiO2/沸石復(fù)合光催化材料，用來(lái)降解水中的苯酚和對(duì)氯苯酚；
馬正先等采用溶膠-凝膠法制備了Fe3+、La3+摻雜TiO2/天然沸石和Fe-La 共摻雜TiO2/天然沸石復(fù)合光催化劑，1%Fe-0.3%La 共摻雜TiO2/天然沸石復(fù)合光催化劑的光催化效率可達(dá)94.78%；袁昊等采用溶膠-凝膠法，制備了一種高嶺土負(fù)載納米TiO2 光催化復(fù)合材料，其對(duì)甲基橙有較好的降解效果，反復(fù)利用后平均回收率達(dá)92%；Yalei Zhang 等通過(guò)低溫水解沉淀法，將混合晶型的TiO2 粒子負(fù)載在高嶺土上，制得的光催化劑光催化降解性能優(yōu)于Degussa P25 材料；
雷紹民等也在高嶺石基納米TiO2復(fù)合光催化材料研究方面做了大量工作；Kibanova 等制備了一種TiO2/鋰蒙脫石復(fù)合光催化材料，研究發(fā)現(xiàn)在UVA(365nm)光照射下的甲醛去除率沒(méi)有在UVC(254+185 nm)光照射下的去除率高，且濕度較高也會(huì)導(dǎo)致去除率降低；羅皓月等采用水解沉淀法制備TiO2/蒙脫石復(fù)合光催化材料，1100℃下煅燒的TiO2/蒙脫石復(fù)合材料光催化效果優(yōu)于純TiO2 顆粒；Robert Kun 等采用溶膠凝膠法制備了一種TiO2/蒙脫石復(fù)合材料，通過(guò)苯酚降解試驗(yàn)，表明蒙脫石作為載體可以顯著提高TiO2 的光催化性能；
楊瑩琴等以膨潤(rùn)土為載體制備了負(fù)載型鐵摻雜TiO2 光催化材料，對(duì)有色染料降解效果良好；S.N.Hosseini 等通過(guò)將Degussa P25 TiO2 與珍珠巖在酸性條件下直接復(fù)合，用來(lái)降解水中的苯酚，結(jié)果表明，制得的復(fù)合光催化劑具有很好的光催化降解性能；盧芳慧等采用低溫水解工藝制備了一種納米TiO2/膨脹珍珠巖復(fù)合光催化材料；
劉月等采用低溫水解法制備了一種N 摻雜納米TiO2/凹凸棒石復(fù)合光催化粉體材料，該復(fù)合光催化材料在可見(jiàn)光條件下對(duì)甲醛具有良好的降解性能。
硅藻土質(zhì)輕、比表面積較大，孔徑分布有規(guī)律（范圍從幾納米到數(shù)百納米），且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種天然納米孔徑無(wú)定型硅質(zhì)礦物材料，具有獨(dú)特的微過(guò)濾、吸附、調(diào)濕等功能，其成分和結(jié)構(gòu)均適合作為納米TiO2 的載體材料。王利劍等采用水解沉淀法制備了納米TiO2/硅藻土復(fù)合粉體，對(duì)羅丹明B染料廢水的脫色率和COD 去除率都達(dá)到了90%以上；Yuxin Jia 等通過(guò)層層自組裝技術(shù)將平均粒徑為10nm 的TiO2 膠粒成功負(fù)載在硅藻土上，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列表征；俞成林等考察了甲醛的初始濃度、反應(yīng)溫度、光照強(qiáng)度和相對(duì)濕度對(duì)TiO2/硅藻土復(fù)合光催化劑降解甲醛性能的影響。
盡管眾多研究者開(kāi)展了一些納米TiO2/硅藻土光催化復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室研究工作，但對(duì)于硅藻本身的載體效應(yīng)仍然存在較多的疑問(wèn)。通過(guò)選礦提純，硅藻表面及內(nèi)部孔道得到疏通，而且孔結(jié)構(gòu)性能也會(huì)得到進(jìn)一步提升，通過(guò)采用不同純度、不同產(chǎn)地的硅藻土載體，制備不同的硅藻土負(fù)載納米TiO2 光催化復(fù)合材料，可以比較硅藻載體對(duì)復(fù)合材料的光催化性能的影響，從而為選擇更合適的硅藻土載體制備性能更優(yōu)的復(fù)合光催化材料提供理論依據(jù)。
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