攀西某改性高爐鈦渣光催化性能研究*

付霆威 殷成哲 李永皓 郭飛超 饒 博 張錦旗

（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

我國(guó)攀西地區(qū)擁有豐富的釩鈦磁鐵礦，經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)發(fā)利用，已堆積有約7 000 萬(wàn)t 鈦渣，且約以380萬(wàn)t/a的速度增長(zhǎng)，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境［1-2］。

目前，鈦渣利用途徑包括提取有價(jià)成分、直接利用和改性制備材料等。直接利用是用鈦渣部分替代水泥、混凝土、磚瓦、玻璃等生產(chǎn)的原料［3］，使鈦渣有效、快速地得到消納，但為了得到符合要求的原料，往往會(huì)增加生產(chǎn)工藝過(guò)程和成本，不利于高值化開(kāi)發(fā)。改性制備材料主要是利用改性工藝使鈦渣具有良好的特殊功能屬性，如制備光催化材料［4］、功能肥料［5］、吸附劑［6］等。對(duì)鈦渣中有價(jià)組分進(jìn)行提取，雖可極大地提高其綜合利用價(jià)值，但就目前的技術(shù)水平，該提取過(guò)程需要破壞礦物的晶體結(jié)構(gòu)，存在工藝復(fù)雜、反應(yīng)條件要求高等問(wèn)題。因此，科學(xué)利用鈦渣具有重要意義。

根據(jù)鈦渣中組分的化學(xué)反應(yīng)特性，基于含鈦組分具有光催化性能的特點(diǎn)，研究采用酸浸焙燒法提取出鈦酸鈣組分，研究了其光催化性能，為鈦渣利用提供新思路。

1 試驗(yàn)原料、試劑及儀器設(shè)備

（1）試驗(yàn)原料。試驗(yàn)原料為攀鋼高爐鈦渣，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，XRD 圖譜見(jiàn)圖1，碎磨至-0.074 mm占90%備用。

從圖1 可以看出，鈦渣的主要礦物成分為透輝石、鈣鈦礦、鈣鐵輝石。

（2）試驗(yàn)試劑及儀器設(shè)備。試驗(yàn)用鹽酸、亞甲基藍(lán)等均為分析純?cè)噭Ｔ囼?yàn)用主要儀器設(shè)備有紫外分光光度計(jì)（UV-1100型）、變頻行星式球磨機(jī)（ND7-4L型）、馬弗爐（KRY-20型）等。

2 試驗(yàn)方法

（1）鈦酸鈣的提取。根據(jù)鈦渣中不同組分與鹽酸反應(yīng)性能的差異，探索試驗(yàn)確定的鈦酸鈣提取過(guò)程：按照液固質(zhì)量比2∶1 將濃度為6 mol/L 的鹽酸和鈦渣加入錐形瓶中，在90 ℃下反應(yīng)3 h，冷卻后過(guò)濾，用蒸餾水洗滌至中性，烘干得到的酸浸渣，然后在500 ℃下焙燒1 h，冷卻后取出即得酸浸焙燒渣。

（2）光催化試驗(yàn)。取適量的光催化劑（酸浸渣或酸浸焙燒渣）加入50 mL 一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液中，攪拌吸附20 min 后，以250 W 高壓汞燈（波長(zhǎng)300 nm）為光源，光催化反應(yīng)一定時(shí)間，然后測(cè)定亞甲基藍(lán)的殘余濃度，并計(jì)算降解率，以評(píng)判光催化劑的光催化性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 催化劑性能表征

為了考察鈦酸鈣組分經(jīng)酸浸焙燒后富集提取情況，對(duì)比分析了原渣、酸浸渣和酸浸焙燒渣的XRD 圖譜和SEM形貌，結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3。

從圖2 可以看出，與原渣（圖1）的XRD 圖譜相比，酸浸渣及酸浸焙燒渣中鈣鈦礦含量明顯增加。這是由于原渣中的透輝石、鈣鐵輝石等與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而較快溶解，而鈣鈦礦與鹽酸的反應(yīng)緩慢，所以在酸浸產(chǎn)物中的含量增加。

從圖3 可以看出，與原渣相比，酸浸渣和酸浸焙燒渣表面孔隙更豐富，這有利于提高光催化性能。

3.2 光催化劑吸附性能研究

光催化反應(yīng)受光生電子產(chǎn)額、電子空穴復(fù)合率和光生電子與反應(yīng)物的接觸反應(yīng)幾率的影響。為研究光催化劑對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能，試驗(yàn)用亞甲基藍(lán)溶液的濃度為8 mg/L，取不同量的光催化劑在黑暗環(huán)境下避光吸附20 min，考察催化劑用量和吸附率的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4 可以看出，隨著催化劑用量的增大，亞甲基藍(lán)吸附率上升，與用量呈線性關(guān)系，表明單位質(zhì)量光催化劑的吸附量沒(méi)有明顯變化，因此，該吸附為物理吸附；酸浸焙燒渣的吸附能力優(yōu)于酸浸渣，這是由于焙燒能增加催化劑的表面孔隙，同時(shí)焙燒過(guò)程還有利于增加吸附活性位點(diǎn)。

3.3 光催化性能研究

3.3.1 光催化劑用量試驗(yàn)

光催化劑用量試驗(yàn)固定亞甲基藍(lán)濃度為8 mg/L、光催化反應(yīng)時(shí)間為30 min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5 可以看出，隨著光催化劑用量的增大，光催化降解效果先顯著增強(qiáng)后均小幅下降；當(dāng)酸浸渣添加量為0.3 g/L、酸浸焙燒渣添加量為0.2 g/L 時(shí)，亞甲基藍(lán)的降解率分別達(dá)到最大值51.32%和56.64%。這是由于適當(dāng)增大光催化劑用量有利于光與催化劑作用，產(chǎn)生更多的光生電子，促進(jìn)光催化反應(yīng)；當(dāng)這種狀況達(dá)到最大值后繼續(xù)增大光催化劑用量，非光催化活性組分透輝石、鈣鐵輝石等會(huì)影響光催化反應(yīng)，降低亞甲基藍(lán)的光催化降解。

3.3.2 光催化時(shí)間試驗(yàn)

光催化時(shí)間試驗(yàn)固定添加酸浸渣0.3 g/L或酸浸焙燒渣0.2 g/L、亞甲基藍(lán)濃度為8 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6 可以看出，隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)，光催化降解率先快速上升、后升幅趨緩，反應(yīng)120 min 后亞甲基藍(lán)的光催化降解率均超過(guò)90%，表明酸浸渣和酸浸焙燒渣均具有良好的光催化性能；酸浸焙燒渣不僅用量小，且相同時(shí)間下的光催化降解率更高，這一方面是由于焙燒提高了對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能，另一方面焙燒有利于提高鈣鈦礦的光催化活性［7］。

4 結(jié)論

（1）與原渣相比，酸浸渣及酸浸焙燒渣中鈣鈦礦含量明顯增加，且酸浸渣和酸浸焙燒渣表面孔隙更豐富，這些特征有利于提高光催化性能。

（2）隨著光催化劑用量的增大，亞甲基藍(lán)吸附率上升，與用量呈線性關(guān)系，因此該吸附為物理吸附；酸浸焙燒渣的吸附能力強(qiáng)于酸浸渣，這是由于焙燒能增加催化劑的表面孔隙，同時(shí)焙燒過(guò)程還有利于增加吸附活性位點(diǎn)。

（3）光催化劑用量增大光催化降解效果增強(qiáng)，酸浸渣的適宜添加量為0.3 g/L、酸浸焙燒渣為0.2 g/L，表明適當(dāng)增大光催化劑用量有利于光與催化劑的作用，產(chǎn)生更多的光生電子，促進(jìn)光催化反應(yīng)；光照時(shí)間延長(zhǎng)，光催化降解率呈先快后慢的上升趨緩，反應(yīng)120 min 光催化降解率超過(guò)90%，表明酸浸渣和酸浸焙燒渣均具有良好的光催化性能；酸浸焙燒渣較小的用量，相同時(shí)間下的光催化降解率更高，一方面體現(xiàn)了焙燒提高了對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能，另一方面焙燒有利于提高鈣鈦礦的光催化活性。

（4）研究為高爐鈦渣提供了一種新的高值化利用途徑。