水泥凈漿光催化涂層的制備及其對有機染料的降解性能

李香蘭，彭小英，2，馮勝雷

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

0 前言

隨著工業經濟的快速發展，環境污染已成為迫切需要解決的關鍵問題。其中，化學、紡織、制藥、農業和醫藥等行業排放的水污染是最嚴重的環境污染之一。在眾多處理水污染的技術中，光催化技術因其較高的氧化還原能力、降解徹底、溫和的反應條件和綠色無污染而受到國內外學者的廣泛關注［1］［2］［3］。光催化技術的核心要素之一是光催化劑，在眾多光催化材料中，納米TiO2由于其相對低廉的價格、化學性質穩定和較高的光催化活性特征而得到了廣泛的應用［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，如果能夠找到化學穩定、成本低和應用范圍廣的載體用于負載光催化劑，便可以減少改善固液分離問題。作為廣泛使用的建筑材料之一，水泥因為具有較強的粘結能力、良好的耐久性能、易于加工和成本低廉等特點，而成為負載納米光催化劑的良好載體［7］。納米TiO2通常以三種方式負載在水泥上：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、結合能力弱和分散不均勻等問題［8］［9］［10］。本研究提出了一種新的負載方式，使用細線將TiO2乳液鋪展到水泥凈漿表面，干燥后形成負載TiO2光催化涂層的水泥凈漿，研究了該涂層的微觀形貌、負載量和溶液pH 對光催化性能的影響。

1 試驗

1.1 材料

實驗所用水泥為I 型P·O42.5 水泥，密度為3.08 g/cm3、布萊恩細度為3289 cm2/g，該水泥的主要化學成分如表1 所示。納米P25 TiO2粉體購自德國德固賽公司。防水乳液（符合GB/T 23445-2009 標準）由中國萊士德公司提供。羅丹明B（RhB）購自國藥控股有限公司。

表1 普通硅酸鹽水泥的主要化學成分 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，在標準養護室（21℃，95%相對濕度）中養護1 天。將不同質量的納米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，將混合乳液放在預潤濕的水泥塊表面上，并用細絲線將其鋪展開。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記為P0.025、P0.05、P0.075 和P0.1，不加入TiO2粉體時制備的水泥凈漿試塊作為對照樣品，記為Control。

1.3 表征

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

1.4 光催化測試

通過在光催化反應器中進行光催化降解模擬實驗，采用長弧氙燈（300 W，GXH300，上海季光特種照明電器廠）來模擬可見光光源。實驗前，先將光催化水泥凈漿樣品放入反應器中，然后加入50 ml、濃度為1 g/L 的RhB 溶液中，光照前進行30 min的暗吸附實驗。降解過程中，每隔10 min 吸取3mL RhB 溶液在紫外-可見分光光度計（721 型，上海舜宇恒平科學儀器有限公司）上進行透光率測試，波長設置為554 nm，測試完成后將RhB 溶液倒回反應器中繼續進行降解。溶液降解率計算如下：

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

2 結果與討論

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。

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 負載量對光催化性能的影響

圖2 是負載不同TiO2量的水泥凈漿試塊對RhB 的降解曲線。從圖中可以看出，光解和Control 樣品對RhB 降解曲線幾乎重合，RhB 光解是因為染料敏化作用，光照50 min 后降解了17.6%。當水泥凈漿試塊負載不同質量的TiO2時，其對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，降解效率順序為P0.025＜P0.05＜P0.075，達到一定量再增加后光催化速率反而減小，P0.075 的降解效率優于P0.1。這是因為當負載量超過一定比例時，過多的光催化劑會相互覆蓋（見圖1），阻礙了光催化劑對紫外線的吸收，導致光催化效率降低。胡春等［11］研究了不同質量TiO2在天然粘土礦物凹凸棒上的負載，當TiO2含量為2%時，TiO2在凹凸棒表面分布均勻，增加了催化劑比表面積，但是當TiO2含量為8%時，比表面積降低，表明TiO2加入過量，產生了TiO2多層的負載，影響了光催化劑對光線的吸收，降低了光催化降解效率。

圖2 負載不同質量TiO2的光催化水泥凈漿對RhB 的降解曲線

3 結論

以細線涂抹法在水泥凈漿的表面負載了含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2 g 防水乳液中TiO2含量為0.075 g 時，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50 ml、濃度為1 g/L 的RhB 降解效率為97.6%。細線涂抹法及制備的光催化水泥凈漿為工業廢水處理技術提供了新的方向。