[发明专利]一种吸附光催化水凝胶材料及其在逆转重金属毒害的协同光催化污水产氢中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的回收利用重金属污染物以解决其对光催化剂毒害的策略。利用制备的吸附光催化水凝胶材料以及随后的原位硫化处理技术，实现了重金属污染物的回收再利用，并将吸附的重金属离子转化为相应的光催化敏化材料。该策略逆转了重金属离子对光催化过程的不利影响，而且提高了在重金属污水中的光催化产氢效率，并且实现了污水净化，属于能源环境催化材料以及纳米材料技术领域。

背景技术

由于工业的快速发展而大量排放的含有各类金属离子的废水对环境具有严重的潜在危害，同时大量消耗的石油资源迫使人类寻找新的可再生能源。光催化污水产氢技术，利用光催化剂和太阳能分解污水产生氢能，可以同时实现持续能源的产生和水体修复，成为当前最有希望解决水和能源危机的一种策略。然而，由于普通工业废水中存在各种各样的重金属离子污染物，其可以猝灭光生电子，严重影响光催化剂的产氢性能。因此，设计出可以有效防止金属离子对光催化剂毒害的策略，对光催化分解污水产氢技术推广到实际应用中具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上问题，本发明的目的在于提供一种解决重金属离子对光催化剂毒害的方案，甚至“变废为宝”，能够实现重金属污染物的回收再利用并且提高光催化产氢的性能。

在此，本发明提供一种吸附光催化水凝胶材料，包含光催化纳米材料和负载所述光催化纳米材料的多孔的透明基体，所述多孔的透明基体由易交联成透明水凝胶的多糖高分子材料制成。

本发明采用多糖高分子材料可制成透明基体(多糖水凝胶)，其具有良好的透光性、吸水性，内部是多级孔道贯穿的结构，可以使光和物质在内部自由扩散，使得负载的光催化剂可以在光照条件下不受影响地分解水产生氢气，成为良好的光催化剂的负载载体。同时，多糖水凝胶含有丰富的-OH、-NH₃等官能团，可以吸附重金属离子，降低污水中的重金属离子浓度。

较佳地，所述多糖高分子材料为琼脂糖、壳聚糖中的至少一种。

本发明中，所述光催化纳米材料为在光照条件下能够发生化学反应(例如分解水产生氢气等)的半导体材料，优选二氧化钛、氮化碳、钒酸铋等稳定的光催化材料中的至少一种。

较佳地，所述光催化纳米材料与所述多孔的透明基体的质量比为(0.05～0.2)：1。

本发明还提供一种制备上述吸附光催化水凝胶材料的方法，包括：将光催化纳米材料分散于水中得到的溶液与多糖高分子材料混合，加热溶解，保温2～10分钟，得到混合溶液；以及将所述混合溶液冷却到室温，凝固后得到所述吸附光催化水凝胶材料。

上述制备方法中，可使所述光催化纳米材料分散于水中得到的溶液的质量浓度为 0.001～0.01g/ml。

本发明还提供一种上述吸附光催化水凝胶材料在重金属回收再利用/光催化产氢中的应用，包括：

将上述吸附光催化水凝胶材料浸入含有重金属离子的溶液中，吸附重金属离子后取出；以及将吸附有重金属离子的吸附光催化水凝胶材料与硫源水溶液混合进行原位硫化处理，于室温下浸渍10～30分钟后取出，用水冲洗。

本发明的重金属回收再利用/光催化产氢方法中，首先利用吸附光催化水凝胶材料吸附溶液中的重金属离子，随后，通过原位的硫化处理，将吸附的重金属离子转换为相应的金属硫化物。以往，由于普通工业废水中存在各种各样的重金属离子污染物，其可以猝灭光生电子，严重影响光催化剂的产氢性能。而本发明的重金属回收再利用/光催化产氢方法中，利用制备的吸附光催化水凝胶材料以及随后的原位硫化处理技术，将吸附的重金属离子转换为相应的金属硫化物，由于金属硫化物的窄能隙，使其成为良好的可见光催化敏化材料，可以有效逆转重金属离子对光催化的毒害作用，并且能够提高光催化剂对可见光区域的吸收利用和光催化产氢的效率，实现“变废为宝”。根据本发明的重金属回收再利用/光催化产氢方法，能够实现重金属污染物的回收再利用，并将吸附的重金属离子转化为相应的光催化敏化材料。由此，可以逆转重金属离子对光催化过程的不利影响，而且提高在重金属污水中的光催化产氢效率，并且实现污水净化。此外，构筑的块体光催化剂复合水凝胶体系具有一定强度，可以很方便得回收利用，并具有长期的稳定性，可循环使用。

本发明中，所述硫源为含硫的离子化合物，优选硫化钠、硫化钾中的至少一种。

较佳地，吸附重金属离子在光照下进行，时间为0.5～2小时。

较佳地，所述原位硫化处理过程中硫离子和吸附的重金属离子的摩尔比为(5～1)：1。

附图说明