化学论文:二氧化钛的性质与应用

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摘要

本文主要对二氧化钛的性质与应用进行讨论。本次对二氧化钛性质的讨论分为物理性质,化学性质,表面性质三部分。纳米二氧化钛微粒具有大的比表面积,其表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,由于其尺寸的细微化,表现出来独特的物理和化学特性,导致纳米二氧化钛微粒的热、光、敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,这就使得它在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景。

关键词 纳米二氧化钛  性质  光催化应用

 

Abstract:In this paper, the properties and applications of titanium dioxide are discussed. The discussion on the properties of titanium dioxide is divided into three parts: physical properties, chemical properties and surface properties. Nanometer titanium dioxide particles have large specific surface area, and the number of surface atoms, surface energy and surface tension increase sharply with the decrease of particle size. Due to the refinement of their size, they exhibit unique physical and chemical properties, resulting in the thermal, optical, sensitive and surface stability of nano-TiO2 particles different from those of conventional particles. This makes it have a broad application prospect in the fields of environment, information, materials, energy, medical and health.

Key word:Nano titanium dioxide, Properties, Photocatalysis Application

 

1、前言

 

二氧化钛是白色固体或粉末状的两性氧化物,是一种白色无机颜料,具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。它的熔点很高,也被用来制造耐火玻璃,釉料,珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。同时,二氧化钛有较好的紫外线掩蔽作用,常作为防晒剂掺入纺织纤维中,超细的二氧化钛粉末也被加入进防晒霜膏中制成防晒化妆品。二氧化钛的介电常数较高,因此具有优良的电学性能。二氧化钛具有半导体的性能,它的电导率随温度的上升而迅速增加,而且对缺氧也非常敏感。二氧化钛溶于热浓硫酸所得溶液虽然是酸性的,但加热煮沸也能发生水解,得到不溶于酸、碱的水合二氧化钛(β型钛酸)。若加碱于新制备的钛盐酸性溶液,得到新鲜的水合二氧化钛(a型钛酸) 其反应活性大于β型钛酸,可以溶于稀酸及浓碱。在紫外光照射下,TiO2价带电子被激发到导带,电子和空穴向TiO2表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与Ti反应,空穴则与表面.桥氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸附水(表面羟基),化学吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附层。相对于其它半导体半金属材料的金属氧华物TiO2Ti-0键的极性较大,表面以极化发生解离,容易形成羟基。 TiO2在改性时常加入Al、Si、Zn等氧化物,Al或Si的氧化物单独存在时无明显的酸碱性,但与 TiO2复合,则呈现强酸碱性,可以制备固体超酸。TiO2颗粒在液态(尤其是极性的)介质中因表面带有电荷就会吸附相反的电荷而形成扩散双电层,使颗粒有效直径增加,当颗粒彼此接近时,因各具同性电荷而相斥,有利于分散体系的稳定。

 

2、纳米TiO2催化性能的应用

 

杀菌功能

抗菌是TiO2 在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用TiO2光催化剂对绿脓杆菌大肠杆菌金黄色葡萄球菌等具有很强的杀菌能力在紫外线作用下,0.1mg/cm3浓度的超细 TiO2 可彻底地杀死恶性海拉细胞,而且随着超氧化物歧化酶(SOD)添加量的增多,TiO2 光催化杀死癌细胞的效率也提高;用TiO2 光催化氧化深度处理自来水,可大大减少水中的细菌数,饮用后无致突变作用,达到安全饮用水的标准[1];当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时,TiO2 被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由(·O- )和羟基自由基(·OH- )能穿透细菌的细胞壁,破坏细胞膜质,进入菌体,阻止成膜物质的传输,阻断其呼吸系统和电子传输系统,从而有效地杀灭细菌,并抑制细菌分解有机物产生臭味物质如 H2SSO2硫醇等[2];在涂料中添加纳米 TiO2 可以制造出杀菌防污除臭自洁的抗菌防污涂料,可应用于医院病房手术室及家庭卫生间等细菌密集易繁殖的场所,可有效杀死大肠杆菌黄色葡萄糖菌等有害细菌,防止感染

防紫外线功能 

纳米TiO2既能吸收紫外线,又能反射散射紫外线,还能透过可见光,是性能优越极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比,纳米TiO2 在紫外区的吸收峰更高,更可贵的是它还是广谱屏蔽剂,不像有机紫外线防护剂那样只单一UVA 或 UVB 有吸收[3]它还能透过可见光,加入到化妆品使用使皮肤白度自然,不像颜料级TiO2,不能透过可见光,造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色利用纳米TiO2 的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜油墨涂料和塑料填充剂,可以替代有机紫外线吸收剂,用于涂料中可提高涂料耐老化能力

防雾及自清洁涂层

TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性[4],因此其具有防雾功能,如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜,即使空气中的水分或者水蒸气凝结,冷凝水也不会形成单个水滴,而是形成水膜均匀地铺展在表面,所以表面不会发生光散射的雾当有雨水冲过,在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜,这样就不会形成分散视线的水滴,使得后视镜表面保持原有的光亮,提高行车的安全性如果把高层建筑的窗玻璃陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜,利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为 CO2  O2,同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净,从而实现自清洁功能[5]

在废水中的应用

农药在农业上的广泛应用,产生了很大的经济效益,但过量使用会破坏生态环境。农药残留物如有机磷类、有机硫类、三嗪类物质,在自然条件下会残留在农作物、土壤以及水体里,且难以被降解,通过生物链进入到人体中,从而危害人体健康[6] TiO2光催化降解有机磷类农药是近20年的研究热点。研究结果表明,经375 W中压汞灯照射40 min后,TiO21.0×10-4 mol/L浓度的敌敌畏、久效磷、对硫磷和甲拌磷4种有机磷农药完全降解为无机磷PO³[7]敌百虫和乐果分别在1 h 和2 h内有96.42%和80.15%被TiO2降解成无机磷等其他无机产物[8]TiO2-ZnO复合纳米材料对小白菜中残留的乙酰甲胺磷、乐果、马拉硫磷、水胺硫磷4种常用有机磷类农药的平均去除率1 h后达到40%,5 h后可达80%以上[9] 利用固体二氧化钛光催化剂去对催化降解敌百虫模拟废水,经1.5 h的降解反应后氯苯降解率可达80%以上[10] 近年来,TiO2对氨基甲酸酯、有机氯、羧酸、菊酯等类型农药的光催化降解也逐渐引起科研人员的关注。研究结果表明,纳米TiO2对残杀威、灭多威、呋喃丹3种氨基甲酸酯类农药在1 h内均能被完全降解为NH+4、NO-3和其他无机离子[11]光敏剂修饰掺杂铈的纳米TiO2在光照45 min后,对六六六、滴滴涕(DDD)、滴滴涕伊(DDE)等有机氯农药的光降解率达95%以上[12]超声辅助TiO2光催化能有效降解氯氰菊酯农药残留,降解率最高可达98.3%[13]

纺织、颜料、墨水等工厂所排放的废水中有较多的有机染料。染料废水一般颜色深、臭味大、结构复杂,多含有胺基、偶氮基团、苯环等毒害物质,很难进行生物降解。纳米TiO2复合半导体可以快速的降解不同染料,染料废水发生光催化降解时,首先是染料分子中具有共轭结构的发色基团结构发生变化,溶液色度的变化可以直观的反映出反应的发生情况,之后是染料分子中的有机结构被完全降解[14]400 ℃时用溶胶凝胶法制备出花生状TiO2,其在光照80 min后使甲基橙模拟污水的降解率达到91%[15]H6P2W18O62/TiO2-SiO2光催化剂在甲基橙、甲基红、罗丹明B、亚甲基蓝等类型废水中进行探针反应,实验结果表明,这些物质的降解率达84%~100%,其中甲基橙降解率为99.2%,光催化剂重复利用5次之后甲基橙降解率依然较高,为94.4%[16]TiO2/Ti 纳米管(TNA)光电极降解质量浓度5 mg/L的罗丹明B,80 min后其降解率可达97.9%[17]纳米TiO2光催化剂直接处理某皮革印刷厂的废水,结果表明,COD去除率可达99%,脱色率达到100%[18]TiO2-Eu光催化剂催化降解模拟废水罗丹明B,降解率为98.8%[19]

药物在人们日常生活中有着很重要的位置,其消耗量越大排放的药物废水量就越大,成为较难处理的废水种类之一。研究表明,用二氧化钛复合膜处理黄连素废水,处理率可达90%[20]N-TiO2光催化剂去氧化降解四环素时,降解率可达到97%以上[21]以泡沫镍基P-25薄膜去光催化降解40 mg/L喹啉水溶液,喹啉降解率为97%,催化剂重复使用25次后,降解率仍维持在70%以上[22]。用Fenton试剂与TiO2光催化薄膜去处理黄药废水,黄药降解率达94.66%[23]TiO2对制药废水中头孢曲松钠的光催化降解率可达93.4%[24]对水中喹诺酮类抗生素的降解率达95%[25]以上研究结果表明,TiO2光催化技术在处理医药废水中效果好。

造纸废水成分较为复杂,含有苯酚、氯代酚类、卤代烃等难降解有机污染物。以传统的方法进行处理难以达到满意的效果。纳米TiO2光催化剂直接催化降解河北某造纸厂废水,结果表明,水样中COD的去除率达到76.0%使其废水达到了国家排放标准[26]光学纤维负载TiO2膜对苯酚的光催化降解率达到了,97.8%[27]Fe3O4/C/TiO2光催化剂对2,4,6-三氯苯酚的降解率达到97.9%以上,且催化剂重复使用[28]Fe3O4/TiO26次后,降解率依然能维持在95.1%[催化材料可使4-硝基苯酚的降解率达98.6%,催化剂重复利用6次后,催化效率仍能达到86.3%[29]说明TiO2光催化技术也可以有效处理造纸废水。

石油类物质由于含有脂肪酸、多环芳烃、有机酸类和酚类等多种难以降解的有机物使水体及陆地环境造成严重污染。TiO2光催化技术可以迅速光催化降解这类有机物,譬如:漂浮型TiO2光催化剂不仅可以有效降解水面石油,而且还能抑制原油在自然氧化过程中形成有害共聚物[30]表面亲油性的负载型TiO2光催化剂,对癸烷浮油的降解率达96%以上[31]以泡沫镍基P-25薄膜去处理吉林某石化污水处理厂污水,反应器连续运行超过一周,出水稳定,且水质达到国家化工废水行业排放标准[32]

 

3、结论与展望

 

目前,以TiOSO4,为原料制备纳米TiO2过程中存在的主要技术问题:①在工艺技术上, TiOSO4的水解产物过滤、洗涤较为困难。除在工艺上加以改进外,还可采用多孔陶瓷膜分离技术或隔膜压滤机对溶液进行洗涤过滤,国内在这方面已有成熟的工业化经验;②将锐钛型TiO2完全转化为金红石型TiO2时,必须在较高的温度下通过长时间的加热,这必将导致粒子的团聚或烧结,产品的分散性变差,影响产品的使用效果和应用领域,均匀沉淀法可引入冷冻干燥、共沸蒸馏、超临界干燥和表面处理等技术来减少颗粒之间的团聚。目前就如何对纳米粒子大小、形态进行有效的控制,通过表面改性提高产品性能以及降低生产成本,减轻纳米TiO2产品的团聚,提高其分散性将是今后研究发展方向。只要严格控制工艺条件,就可制得粒径小、粒度分布窄、分散性好的纳米TiO2纳米TiO2具有优异的杀菌功能,防紫外线功能,清洁功能等等,因此纳米TiO2的制备,应用研究已经成为材料科学领域的重要研究课题之一,具有极其广阔的应用前景。发达国家对此研究活跃,投入大量人力,物力,财力,我国也主动展开相关研究,探索其未知的性质和应用。目前,我国TiO2的研究和制备应用都有了较大的进展,纳米TiO2是当今世界发展较快的无机化工产品,与国民经济有着密切的联系。尽管在我国纳米TiO2市场刚刚形成,但随着纳米产品的普及以及人们消费观念的改变,以及纳米技术和产品的不断深入,市场不断规范和发展,纳米TiO2将会带来更大的经济效应,环境效应和社会效应。


参考文献

[1]WatanabeT.,FukayamaS.,MiyauchiM.,FujishimaA.,HashimotoK.J.

Sol.Gel.Sci.Technol,2000,19(3).71-76

[2]Yu J.G.,Zhao X.J. Mater. Res. Bull[M].2000,35,1293.

[3]Zhu Y.F.,Zhang L.,Wang L.,Tan R.Q,Cao L.Li Sruf.Interf[M].

Anal,2001.32(1).218-220.

[4]陈崧哲,张彭义,祝万鹏.钛铝和玻璃上 TiO2 光催化膜的失活研究[M].无机化学学报,2004,20(11):12-65.

[5]陈锋,朱依萍,张金龙.TiO2 复合纳米材料的合成和表征[M].物理化学学报,2004,20(11):93-98.

 

[6] 穆俊峰,张艳.纳米二氧化钛在水处理中的应用[J].轻工科技,2013(8):95-96.

[7] 陈士夫,赵梦月,陶跃式,等.光催化降解有机磷农药的研究[J].环境科学,1995(5):61-63,95.

[8] 王铎,陈建秋,苏燕.纳米二氧化钛光催化降解有机磷杀虫剂毒性的研究[J].佛山陶瓷,2006(6):1-3

[9] 刘威,张兵,廖宗文.TiO2-ZnO纳米复合材料光催化降解小白菜中4种残留有机磷农药[J].食品与发酵工业,2010,36(12):42-45.

[10] 张新海.二氧化钛光催化处理有机磷农药废水研究[J].广州化工,2018,46(1):90-91,133.

[11] 陈建秋,王铎,高从堦.氨基甲酸酯类化合物的二氧化钛光催化降解研究[J].水处理技术,2006(10):32-35.

[12] 龚丽芬,余彬彬,陈曦.光敏剂修饰纳米Ce/TiO2在可见光下光催化降解有机氯农药[J].厦门大学学报(自然科学版),2008(1):79-82.

[13] 龚丽芬,谢晓兰.C-Ce-TiO2光催化剂的制备及其对氟氯氰菊酯的降解[J].泉州师范学院学报,2013,31(6):30-33.

[14] 朱虹,孙杰,李剑超.印染废水处理技术[M].北京:中国纺织出版社,2004:210-211.

[15] 张娜娜,王红侠,何又青,等.溶胶凝胶法制备花生状TiO2及光催化性能[J].钢铁钒钛,2019,40(1):13-17.

[16] 杨志远,刘晓霞,徐玉,等.H6P2W18O62/TiO2-SiO2光催化降解有机染料[J].精细化工,2015,32(5):571-577.

[17] 胡春光,辛言君.TiO2/Ti纳米管光电极制备及光催化性能研究[J].水处理技术,2015,41(8):58-66.

[18] 郑先君,姜巧娟,魏丽芳,等.纳米TiO2光催化降解印染废水的研究[J].环境科学与技术,2009,32(4):159-162.

[19] 赵玥,李和肖.铕掺杂TiO2复合材料光催化降解罗丹明B的研究[J].人工晶体学报,2019,48(3):0539-0544.

[20] 管玉江,陈彬,王子波,等.陶瓷介孔膜耦合光催化处理黄连素废水[J].水处理技术,2015,41(3):28-32.

[21] 梁钊,李子富,周晓琴,等.氮掺杂二氧化钛光催化氧化降解污水中四环素[J].环境工程,2019,37(3):92-95.

[22] 朱遂一,霍明昕,杨霞,等.泡沫镍基P-25薄膜光催化降解水中喹啉[J].吉林大学学报(地版),2011,41(5):1554-1561.

[23] 李明晓,孙力军,张景绘.选矿废水处理新方法的研究[J].矿冶,2008,17(4):69-70.

[24] 郭佳,张渊明,杨骏,等.光催化氧化降解制药废水中头孢曲松钠的研究[J].生态科学,2008,27(6):446-451.

[25] 刘利伟,吴小莲,莫测辉.TiO2光催化降解水中喹诺酮类抗生素[J].中南大学学报,2012,43(8):3300-3307.

[26] 全玉莲,姚淑霞,董亚荣,等.纳米二氧化钛光催化降解造纸废水的试验研究[J].环境工程,2011,29(1):55-97.

[27] 赵峰,魏宏斌,徐迪民,等.光学纤维载TiO2膜光催化氧化降解苯酚[J].中国给水排水,2002,18(12):51-53.

[28] 杨静,崔世海,练鸿振.磁载光催化剂Fe3O4/C/TiO2的制备及对三氯苯酚的降解[J].无报,2013,29(10):2043-2048.

[29] 宋海南,李国喜,周建庆,等.Fe3O4/TiO2磁性催化剂的制备及在污水治理中的应用[J].分子催化,2011,25(6):557-562.

[30] 赵文宽,覃榆森,方佑龄,等.水面石油污染物的光催化降解[J].催化学报,1999,20(3):368-372.

[31] 陈爱平,卢冠忠,杨阳等.TiO2/膨胀珍珠岩漂浮光催化剂的成膜和浮油降解机理[J].

[32] 朱遂一,霍明昕,杨霞,等.制备多孔镍负载TiO2薄膜光催化降解喹啉和化工废水[J].吉林大学学报(地球科学版),2012,42(4):1151-1158

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