基于熔分钛渣制备TiO2/层状双氢氧化物复合光催化剂的基础研究

TiO2 has been regard as one of best semiconductor photocatalyst for the light induced photochemical reactions. However, some drawbacks such as poor adsorbability, hard to recycle, high cost to preparation, et al make it difficult to utilize in industrial application. Synthesis TiO2 nanoparticles by cheap materials and load them on appropriate carriers has been demonstrated to be a promising strategy to improve the adsorption of TiO2 nanoparticles and decrease the synthesis cost. Considering that there are lots of valuable elements such as Ti, Mg, Al, Fe and Ca existed in Ti-bearing electric arc furnace slag (Ti-bearing EAF slag), it will result in wasting of recourse and pollution of environment if these elements could not be recycled effectively. So, it is reasonable to utilize these elements comprehensively to synthesize materials with high value added. In this project, we will propose a method to recovery these valuable elements comprehensively. And then, TiO2/LDH composite material will be controllable synthesized by these elements. The occurrence states of these elements in acid systems with different concentration and species will be investigated. Meanwhile, the hydrolysis behavior of these elements in acid system and the interaction mechanism of them during the coprecipitation will illustrate clearly. In addition, the property of prepared TiO2/LDH composite will be evaluated by photodegradation organic materials and adsorption inorganic materials in sewage. This project will not only develop a new method to comprehensive utilization of Ti-bearing slag, but also lay a foundation and provide a theoretical support for synthesizing function materials directly by industrial solid wastes.

TiO2是性能优异的光催化材料，但是其吸附能力差、回收效率低、制备成本高等问题，限制了其大规模应用。采用廉价的原料制备TiO2纳米颗粒，并将其与合适的载体进行有效复合，是提高纳米TiO2吸附性和回收效率，降低使用成本的有效途径。鉴于熔分钛渣中含有丰富的Ti、Mg、Al、Fe、Ca等有价元素，若不进行有效回收利用，将导致资源浪费和环境污染。因此，本项目拟以熔分钛渣为原料，利用其中的Ti、Mg、Fe和Ca实现TiO2/层状双氢氧化物(LDH)复合材料的结构和形貌可控制备，研究熔分钛渣中Ti、Mg、Fe和Ca在不同浓度的稀酸体系中的赋存状态，解析Ti4+和Fe3+在稀酸体系中的水解析出行为，揭示Mg2+、Fe3+和Ca2+在共沉淀过程中的相互作用机理，评估制备的TiO2/LDH复合材料对水中污染物的综合处理能力，实现熔分钛渣中有价元素的综合利用，进而为工业固废的直接成材奠定实验基础并提供理论支撑。

熔分钛渣中含有丰富的Ti、Mg、Al、Si、Fe、Ca等有价元素，若不进行有效回收利用，将导致资源浪费和环境污染。本项目以熔分钛渣为原料，采用“碱熔-水浸-酸解”三步法综合回收利用熔分钛渣中的有价元素，同时制备具有高附加值的功能材料。在利用熔融NaOH对熔分钛渣进行碱熔处理过程中，随着碱熔温度和碱熔时间的增大，主要金属元素Ti、Al、Mg的转化率都有一定程度的增加，而Fe元素的转化率变化不大，并且碱熔温度对其物相转化的影响更为明显。熔融NaOH分解熔分钛渣较优工艺条件为控制渣碱比为1:1.2，碱熔温度为700℃，碱熔时间为60min。在此条件下，熔分钛渣中的含钛相的转化率为98.3%，而主要杂质相MgAl2O4的转化率为88.04%。通过计算分析碱熔过程主要物相的反应动力学发现，含钛相在碱熔反应初期的活化能为41.76kJ/mol，反应控速环节为界面反应控速；而MgAl2O4相在碱熔反应的初期活化能分别为55.88kJ/mol(0-20min)和22.72kJ/mol(20-60min)，反应控速环节分别为界面化学反应控速和扩散控速。利用碱熔渣水浸后的滤液可以直接制备NaA型和SOD型分子筛，控制水钠比为70~100，水热温度为100~140℃，水热时间为3h，在硅铝比为2.0或2.6时都可以生成NaA型分子筛。但是随着水热时间的延长或水热温度的升高，NaA型分子筛容易向SOD型分子筛转变。而将碱熔渣水浸滤渣在HCl体系中进行酸解，可以直接合成不同晶型和形貌的纳米TiO2。随着液固比的提高或pH值的降低，锐钛矿型TiO2会逐步转变成为金红石型TiO2，其微观形貌也由纳米粒子的团簇体逐步转变为海胆状的结构，但酸解时间对制备的纳米TiO2晶型和形貌的影响不大。制备合成的纳米TiO2在可见光条件下对罗丹明B溶液降解90min时的最大降解率可达到91%。最后，利用酸解液中的Ca2+、Mg2+、Fe3+可以合成片层状的LDH吸附剂，其在120min内对Cu2+的吸附效率为25%。根据上述工艺，最终可以实现熔分钛渣中Ti、Al、Mg、Si的综合回收，其回收利用效率分别为97.5%、87.0%、53.5%和26.3%，具有较好的环境和经济效益，也为其它含钛炉渣的增值化利用提供了实验基础和理论参考。