攀西某改性高炉钛渣光催化性能研究*

付霆威 殷成哲 李永皓 郭飞超 饶 博 张锦旗

（武汉科技大学资源与环境工程学院）

我国攀西地区拥有丰富的钒钛磁铁矿，经过几十年的开发利用，已堆积有约7 000 万t 钛渣，且约以380万t/a的速度增长，严重威胁当地的生态环境［1-2］。

目前，钛渣利用途径包括提取有价成分、直接利用和改性制备材料等。直接利用是用钛渣部分替代水泥、混凝土、砖瓦、玻璃等生产的原料［3］，使钛渣有效、快速地得到消纳，但为了得到符合要求的原料，往往会增加生产工艺过程和成本，不利于高值化开发。改性制备材料主要是利用改性工艺使钛渣具有良好的特殊功能属性，如制备光催化材料［4］、功能肥料［5］、吸附剂［6］等。对钛渣中有价组分进行提取，虽可极大地提高其综合利用价值，但就目前的技术水平，该提取过程需要破坏矿物的晶体结构，存在工艺复杂、反应条件要求高等问题。因此，科学利用钛渣具有重要意义。

根据钛渣中组分的化学反应特性，基于含钛组分具有光催化性能的特点，研究采用酸浸焙烧法提取出钛酸钙组分，研究了其光催化性能，为钛渣利用提供新思路。

1 试验原料、试剂及仪器设备

（1）试验原料。试验原料为攀钢高炉钛渣，主要化学成分分析结果见表1，XRD 图谱见图1，碎磨至-0.074 mm占90%备用。

从图1 可以看出，钛渣的主要矿物成分为透辉石、钙钛矿、钙铁辉石。

（2）试验试剂及仪器设备。试验用盐酸、亚甲基蓝等均为分析纯试剂。试验用主要仪器设备有紫外分光光度计（UV-1100型）、变频行星式球磨机（ND7-4L型）、马弗炉（KRY-20型）等。

2 试验方法

（1）钛酸钙的提取。根据钛渣中不同组分与盐酸反应性能的差异，探索试验确定的钛酸钙提取过程：按照液固质量比2∶1 将浓度为6 mol/L 的盐酸和钛渣加入锥形瓶中，在90 ℃下反应3 h，冷却后过滤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干得到的酸浸渣，然后在500 ℃下焙烧1 h，冷却后取出即得酸浸焙烧渣。

（2）光催化试验。取适量的光催化剂（酸浸渣或酸浸焙烧渣）加入50 mL 一定浓度的亚甲基蓝溶液中，搅拌吸附20 min 后，以250 W 高压汞灯（波长300 nm）为光源，光催化反应一定时间，然后测定亚甲基蓝的残余浓度，并计算降解率，以评判光催化剂的光催化性能。

3 试验结果与讨论

3.1 催化剂性能表征

为了考察钛酸钙组分经酸浸焙烧后富集提取情况，对比分析了原渣、酸浸渣和酸浸焙烧渣的XRD 图谱和SEM形貌，结果分别见图2、图3。

从图2 可以看出，与原渣（图1）的XRD 图谱相比，酸浸渣及酸浸焙烧渣中钙钛矿含量明显增加。这是由于原渣中的透辉石、钙铁辉石等与盐酸发生化学反应而较快溶解，而钙钛矿与盐酸的反应缓慢，所以在酸浸产物中的含量增加。

从图3 可以看出，与原渣相比，酸浸渣和酸浸焙烧渣表面孔隙更丰富，这有利于提高光催化性能。

3.2 光催化剂吸附性能研究

光催化反应受光生电子产额、电子空穴复合率和光生电子与反应物的接触反应几率的影响。为研究光催化剂对亚甲基蓝的吸附性能，试验用亚甲基蓝溶液的浓度为8 mg/L，取不同量的光催化剂在黑暗环境下避光吸附20 min，考察催化剂用量和吸附率的关系，结果见图4。

从图4 可以看出，随着催化剂用量的增大，亚甲基蓝吸附率上升，与用量呈线性关系，表明单位质量光催化剂的吸附量没有明显变化，因此，该吸附为物理吸附；酸浸焙烧渣的吸附能力优于酸浸渣，这是由于焙烧能增加催化剂的表面孔隙，同时焙烧过程还有利于增加吸附活性位点。

3.3 光催化性能研究

3.3.1 光催化剂用量试验

光催化剂用量试验固定亚甲基蓝浓度为8 mg/L、光催化反应时间为30 min，试验结果见图5。

从图5 可以看出，随着光催化剂用量的增大，光催化降解效果先显著增强后均小幅下降；当酸浸渣添加量为0.3 g/L、酸浸焙烧渣添加量为0.2 g/L 时，亚甲基蓝的降解率分别达到最大值51.32%和56.64%。这是由于适当增大光催化剂用量有利于光与催化剂作用，产生更多的光生电子，促进光催化反应；当这种状况达到最大值后继续增大光催化剂用量，非光催化活性组分透辉石、钙铁辉石等会影响光催化反应，降低亚甲基蓝的光催化降解。

3.3.2 光催化时间试验

光催化时间试验固定添加酸浸渣0.3 g/L或酸浸焙烧渣0.2 g/L、亚甲基蓝浓度为8 mg/L，试验结果见图6。

从图6 可以看出，随着光照时间的延长，光催化降解率先快速上升、后升幅趋缓，反应120 min 后亚甲基蓝的光催化降解率均超过90%，表明酸浸渣和酸浸焙烧渣均具有良好的光催化性能；酸浸焙烧渣不仅用量小，且相同时间下的光催化降解率更高，这一方面是由于焙烧提高了对亚甲基蓝的吸附性能，另一方面焙烧有利于提高钙钛矿的光催化活性［7］。

4 结论

（1）与原渣相比，酸浸渣及酸浸焙烧渣中钙钛矿含量明显增加，且酸浸渣和酸浸焙烧渣表面孔隙更丰富，这些特征有利于提高光催化性能。

（2）随着光催化剂用量的增大，亚甲基蓝吸附率上升，与用量呈线性关系，因此该吸附为物理吸附；酸浸焙烧渣的吸附能力强于酸浸渣，这是由于焙烧能增加催化剂的表面孔隙，同时焙烧过程还有利于增加吸附活性位点。

（3）光催化剂用量增大光催化降解效果增强，酸浸渣的适宜添加量为0.3 g/L、酸浸焙烧渣为0.2 g/L，表明适当增大光催化剂用量有利于光与催化剂的作用，产生更多的光生电子，促进光催化反应；光照时间延长，光催化降解率呈先快后慢的上升趋缓，反应120 min 光催化降解率超过90%，表明酸浸渣和酸浸焙烧渣均具有良好的光催化性能；酸浸焙烧渣较小的用量，相同时间下的光催化降解率更高，一方面体现了焙烧提高了对亚甲基蓝的吸附性能，另一方面焙烧有利于提高钙钛矿的光催化活性。

（4）研究为高炉钛渣提供了一种新的高值化利用途径。