一种BiVO4-木材光催化剂的制备方法及其应用

本发明属于废水处理领域，具体涉及一种bivo4-木材光催化剂的制备方法及其应用。

背景技术：

1、目前，工业生产、农业施肥等人类活动所造成的水环境污染问题，加速了水资源的短缺。绝大多数废水未经处理直接排入水环境之中，对环境造成巨大危害，严重违背了可持续发展的理念，也间接影响着人类健康。因此，对污染废水进行降解处理是非常有必要的。

2、光催化降解可以利用光化学反应将污染物转化为水，二氧化碳等无毒物质。在传统能源短缺的大环境下，光催化的降解效率高，无二次污染问题，是一种工艺成本低廉且绿色的方法，具有很大的潜力。钒酸铋(bivo4)是一种常见的光催化剂，它具有较窄的带隙、较高的可见光响应、无毒、成本低、稳定性高等优点，在光催化降解方面有良好的前景。然而，包括bivo4在内，目前的光催化剂多以粉末形式存在，难以回收与再利用，且它们在溶液中往往容易聚集成团，反应只能在聚集体表面进行，影响其效率。

3、木材作为一种天然可再生材料，具有丰富的多层级孔道结构，从导管分子、管胞到木纤维、木射线、树脂道和树胶道，木材具有纳米级至微米级的多尺度分级形态结构。而且其密度小，比表面积大，木材这种独特的结构特性使其成为负载光催化剂的良好载体。但是，目前大多数木基光催化剂主要是利用纤维素或者木纤维为模板等进行制备，而不是利用块状木材，对于块状木材的应用仍存在限制。同时，在木材的三大素之中，纤维素是木材细胞壁中的骨架，半纤维素和木质素则充当着基体作用和填充作用。除此之外，木材中还含有其他微量组分，其中可以被有机溶剂和水抽提出来的物质被称为抽提物，多存在于细胞腔内壁和纹孔口上，易影响改性剂在木材孔道内的浸渍效果。然而，现阶段绝大部分木材浸渍改性并未对木材进行预处理以提高其孔隙率。在木材资源功能化利用，尤其是针对光催化领域的功能化改良，半纤维素、木质素和抽提物的大量存在会严重影响其催化效果。

技术实现思路

1、本发明主要提供了一种bivo4-木材光催化剂和该催化剂的制备方法，解决了bivo4的光催化性能和回收利用率低，且木材的渗透性差，孔隙率低的问题。其技术方案如下：

2、一种bivo4-木材光催化剂，包括改性后的木基材料和负载于木基材料上的钒酸铋。

3、一种上述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、a.将木材进行水热处理，去除木材中的抽提物和部分半纤维素、木质素，得预处理木材；

5、b.将预处理木材进行气热处理，得到木基材料；

6、c.将铋源溶解于甘油和乙醇制成的混合液体中形成溶液a；将钒源溶解于四甲基氢氧化铵水溶液中形成溶液b；调节反应温度后，将溶液b缓慢加入溶液a中，同时滴加浓硝酸，制得bivo4前驱体溶液；

7、d.将木基材料放入浸渍罐中前真空；随后将bivo4前驱体溶液注入浸渍罐缓慢浸没木基材料，并真空浸渍；浸渍完成后将木基材料取出，乙醇清洗表面后，用锡纸包裹并放入烘箱中干燥，获得bivo4-木材光催化剂。

8、进一步的，步骤a所述水热处理包括以下步骤：将木材加工成小块；使用亚硫酸钠、氢氧化钠和水配制水热处理溶液，将小块放入配好的水热处理溶液中加热，反应结束后将木材转移至热的水中充分清洗，冷冻干燥后即得预处理木材。

9、进一步的，所述小块的尺寸为15～25mm见方；所述水热处理溶液中氢氧化钠的浓度为0.1～0.12g/ml；所述亚硫酸钠和氢氧化钠的质量比为1：(1.8～2.2)，加热温度为90～98℃，反应时间为1-2h；所述热的水的温度为55～65℃，反复清洗直至溶液不再变色。

10、进一步的，步骤b所述气热处理包括以下步骤：将装有预处理木材的瓷舟放入管式炉内，在氮气气氛下进行高温煅烧，完成后在管式炉内自然冷却，制得木基材料。

11、进一步的，所述煅烧的温度为240～260℃，升温速率为10～15℃/min，保温时间2.5～3.5h。

12、进一步的，步骤c所述铋源为硝酸铋；所述钒源为偏钒酸铵；所述铋源中铋原子与钒源中钒原子的摩尔比为1:(0.8～1.2)；所述溶液a中铋原子的浓度为0.25～0.3mol/l；所述溶液b中钒原子的浓度为1.8～2.2mol/l；所述溶液a中甘油和乙醇的体积比为1：

13、(1.2～1.5)；所述溶液b中四甲基氢氧化铵的质量分数为25％。

14、进一步的，步骤c所述反应温度为65～75℃；步骤c所述浓硝酸的质量分数为83％～85％。

15、进一步的，步骤d所述真空浸渍的前真空时间为0.5～1h，注入溶液后的真空时间为10～12h。

16、一种上述的bivo4-木材光催化剂在废水处理中的应用，在光催化作用下降解废水中重金属和有机物。

17、采用上述方案，本发明方法具有以下优点：

18、1、本发明将木材进行水热处理以改变其化学组分，再在氮气气氛下用管式炉高温热处理木材去除半纤维素、抽提物和部分木质素，在保留木材完整孔隙结构的同时提高了孔隙率，比表面积提高了一倍，扩大了bivo4与木材的接触面积，使溶液能够充分浸渍到木材内部，从而达到有效浸渍的目的。

19、2、本发明利用真空浸渍罐将钒酸铋浸渍到经水热和气热处理的木材之中，再将浸渍后的木材置于烘箱中干燥，制备出bivo4-木材光催化剂。在紫外光照射下对罗丹明b、亚甲基蓝和重金属铬离子进行有效降解。

20、3、本发明采用乙醇为五水合硝酸铋的有机溶剂，相比于甲醇等其他溶剂，乙醇参与合成的钒酸铋颗粒较小、颗粒均匀并有较高的结晶度。

21、4、本发明采用甘油为五水合硝酸铋的有机溶剂，甘油具有导向剂的作用，可以控制钒酸铋的合成形态；四甲基氢氧化铵水溶液为偏钒酸铵的有机溶剂，其具有催化作用。拓展反应中物质的用途，避免更多物质加入产生的增加杂质和分离成本问题。

22、5、本发明的光催化剂，在120分钟内对rhb、mb和铬离子的降解率均在85％以上，光催化效率高。

23、6、与不利用木材为载体的钒酸铋相比，本发明所制备的光催化剂更易于回收再利用，经过7次吸附降解循环再利用后对rhb的降解率仍在85％以上，具有良好的长期稳定性。

技术特征：

1.一种bivo4-木材光催化剂，其特征在于，包括改性后的木基材料和负载于木基材料上的钒酸铋。

2.一种权利要求1所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤a所述水热处理包括以下步骤：将木材加工成小块；使用亚硫酸钠、氢氧化钠和水配制水热处理溶液，将小块放入配好的水热处理溶液中加热，反应结束后将木材转移至热水中充分清洗，冷冻干燥后即得预处理木材。

4.根据权利要求3所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，所述小块的尺寸为15～25mm见方；所述水热处理溶液中氢氧化钠的浓度为0.1～0.12g/ml；所述亚硫酸钠和氢氧化钠的质量比为1：(1.8～2.2)，加热温度为90～98℃，反应时间为1-2h；所述热的水的温度为55～65℃，反复清洗直至溶液不再变色。

5.根据权利要求2所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤b所述气热处理包括以下步骤：将装有预处理木材的瓷舟放入管式炉内，在氮气气氛下进行气热处理，完成后在管式炉内自然冷却，制得木基材料。

6.根据权利要求5所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，所述气热处理的温度为240～260℃，升温速率为10～15℃/min，保温时间2.5～3.5h。

7.根据权利要求2所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤c所述铋源为硝酸铋；所述钒源为偏钒酸铵；所述铋源中铋原子与钒源中钒原子的摩尔比为1:(0.8～1.2)；所述溶液a中铋原子的浓度为0.25～0.3mol/l；所述溶液b中钒原子的浓度为1.8～2.2mol/l；所述溶液a中甘油和乙醇的体积比为1：

8.根据权利要求2所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤c所述反应温度为65～75℃；步骤c所述浓硝酸的质量分数为83％～85％。

9.根据权利要求2所述的bivo4-木材光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤d所述真空浸渍的前真空时间为0.5～1h，注入溶液后的真空时间为10～12h。

10.一种权利要求1所述的bivo4-木材光催化剂在废水处理中的应用，其特征在于，在光催化作用下降解废水中重金属和有机物。

技术总结本发明属于废水处理领域，具体涉及一种BiVO<subgt;4</subgt;‑木材光催化剂的制备方法及其应用，对木材进行水热处理结合气热处理的双重化学组分改变工艺，使钒酸铋更多地浸渍进木材细胞中而不易流失。本发明的光催化剂可以在较短时间内降解有机污染物和重金属铬等。技术研发人员：冷魏祺,姜雪飞,何盛,翟胜丞,潘彪,吕昇旸,尹丽娜受保护的技术使用者：南京林业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9