新型钢渣基胶凝材料半导体光催化剂的可控制备及其有机污染物降解的基础研究

A new kind of semiconductor photocatalyst system of steel slag-based cementitious material is established when the nano-oxide and nano-sulfide semiconductors are assembled into the porous channels of alkali-activated steel slag-based cementitious material. It is critical to explore the effects of the ratio of alkali activator to slag, the ratio of water to slag, the curing conditions on mechanical properties and pore structures of photocatalyst so as to achieve the greenly controllable synthesis of semiconductor photocatalyst of steel slag-based cementitious material. The photocatalytic activation is evaluated by degradation of organic pollutants and several major factors including pollutant concentration, dose of photocatalyst, light source and irradiation time are investigated in detail. When the the steel slag-based semiconductor photocatalyst was used for the degradation of organic pollutants, the dual purposes of using waste to treat waste can be realized. The study is very significant in theory and has important value in industry application.

在钢渣基胶凝材料孔道内组装纳米氧化物及硫化物半导体，构建一种新型钢渣基胶凝材料半导体光催化剂体系。探索碱渣比、水渣比、养护制度等对钢渣基胶凝材料半导体光催化剂力学性能及孔结构变化规律的影响，实现钢渣基胶凝材料半导体光催化剂的绿色可控制备。以光催化降解有机污染物为研究对象，重点考察污染物浓度、催化剂用量、光源种类、辐照时间等因素对有机污染物降解率的影响，达到以废治废的双重目的，具有重要的基础研究意义和实际应用价值。

钢渣是炼钢过程中排放的废渣，每生产1吨粗钢约排放10-20%的钢渣。2013年我国粗钢产量7.79亿吨，排放钢渣约1.17亿吨。钢渣是一种惰性渣，其利用率相当低。钢渣的长期堆积不仅占用大量的良田，而且造成严重的环境污染。将其作为制备化学激发钢渣基胶凝材料的原材料，是钢渣高附加值利用的有效途径；项目考察了碱激发钢渣基胶凝材料可控制备及其影响因素，并将其应用于光催化污染物降解的基础研究，对于揭示该新型材料的结构本质意义重大。. (1)考察了水渣比、碱掺量、养护制度等对碱激发钢渣基胶凝材料的抗压强度、矿物相组成、孔径分布、微观结构以及热化学行为的影响因素，可控制备出了抗压强度为35MPa的碱激发钢渣基胶凝材料。(2)制备出了未见文献报道的硅灰强化碱激发钢渣基胶凝材料；当硅灰掺量10%、碱激发剂11%、水渣比0.29时，硅灰强化碱激发钢渣基胶凝材料的抗压强度高达55.1MPa。(3)陶瓷纤维硅灰复合增强碱激发钢渣基胶凝材料的研究发现，陶瓷纤维及硅灰对碱激发钢渣基胶凝材料起到增强作用。(4)可控合成出了碱激发矿渣-粉煤灰-钢渣基胶凝材料，探讨了矿渣、粉煤灰、钢渣的不同配比对该胶凝材料的抗压强度、微观形貌以及孔径分布等影响，其材料的抗压强度可达86.7 MPa。(5)创新性的报道了可控制备介孔碱激发钢渣基胶凝材料的新方法。该介孔材料是以钢渣及少量硅灰为原料，NaOH为激发剂，丙烯酸树脂乳液为介孔形成剂，通过调节孔形成剂的掺量及焙烧温度，有效调变该胶凝材料的介孔分布。(6)探索将新型介孔碱激发钢渣基胶凝材料作为催化剂用于光催化降解孔雀石绿染料，结果发现介孔材料对孔雀石绿染料的降解率取决于介孔材料的BET比表面以及介孔体积，降解为一级反应动力学。（7）将碱激发ZnO-钢渣基胶凝材料用于有机染料降解以及反应动力学研究，5%ZnO-碱激发钢渣基胶凝材料对亚甲基蓝的降解率最高。(8)合成了一种新型碱激发镁渣基胶凝材料，并将其用于光催化甲基橙染料降解的探索性研究。结果发现10(NiO+CuO)/AMSCN催化剂高的光催化降解活性归因于AMSCN载体对活性组分的高分散作用及与活性相强的协同作用。(9)初步将碱激发镁渣基胶凝材料用于太阳能光催化分解水制氢研究，反应机理揭示了CSH凝胶的骨架作为宿主，诱捕光生电子，从而改善了光生电子-空穴对的分离效率，提高了产氢效率。