纳米二氧化钛范文篇1
【关键词】纳米二氧化钛;光催化降解;环境处理
0.前言
1972年Fujishma和Honda发现锐钛纳米二氧化钛微粒在紫外光照射下能使水持续光解生成氢气和氧气[1]。从此有关二氧化钛等半导体光催剂成了近三十年来环境科学领域的研究热点，光催化氧化技术作为一种新兴的高级氧化处理技术，由于其有着高催化活性、化学性质稳定、对有机物的降解无选择性等优点使得它在环境治理方面起到了极其重要的作用。如今利用纳米二氧化钛光催化技术降解大气中的有害气体、净化室内空气、灭菌除臭、降解有机污水、处理城市垃圾等，已经取得了很好的效果。
1.纳米二氧化钛光催化剂
1.1纳米TiO2性质及光催化性质
纳米二氧化钛具有纳米材料的小尺寸效应、高比表面效应、高化学活性特点，具有很高的光催化性能。纳米二氧化钛以其价廉无毒、具有合适的禁带宽度、大的比表面积、高的化学稳定性、强的氧化还原能力、无二次污染且可重复使用等优点而倍受青睐。
二氧化钛的光催化特性就是由它的特殊能带结构所决定的。在紫外光的作用下，二氧化钛的价带电子被激发到导带上，产生高活性的电子―空穴对，电子―空穴对转移到本体表面后能被不同的点捕获，进而使空气中的氧及水活化产生活性氧自由基（O2-）和(OH?)自由基[2]，O2-并与H+作用生成HO2-自由基。HO2-自由基和OH?自由基羟基具有很高的反应活性，当污染物吸附于基表面时，就会与自由电子和空穴结合，发生氧化反应，从而分解污染物。
2.纳米TiO2在环境治理方面的应用
2.1降解大气中的有害有机物
随着人类科技的进步，工业发展日益庞大，同时也带来了严重的大气污染问题，其中最为严重污染物有NOx、H2S、SO2、挥发性有机物（VOCS）等，它们可以引起光化学烟雾、酸雨、臭氧层破坏等一系列重大灾害，如何降解这些有害物质引起了全人类的关注。纳米TiO2在紫外光的照射下可将催化剂表面吸附的NOx、H2S、SO2等分解。ScLee等[3]将TiO2负载于活性碳(AC)上，在最优条件下对低浓度的NOx净化率达到90%，袭著革等[4]研究表明在组成为90%TiO2+10%金属氧化物的光催化剂对低浓度的H2S和SO2的分解率分别为97%和99%。且光催化氧化法在正常条件下能将大气中的有机物分解成二氧化碳，水和其它无机物。吴雅睿等[5]通过实验测得pH=7，甲醛溶液为40mg/L时，TiO2锐钛矿与金红石晶型比为1：15g/L的TiO2对新装修房屋里面的甲醛的降解率达到96.72%；采用TiO2对苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯5种污染物在空气湿度范围内进行光催化氧化，其降解率将近100%，且不会造成二次污染[6]。
2.2处理有机污水
水污染遍布所有的行业中，主要以化工废水，印染污水，含油废水，有机农药等污染为主。造成污水的化合物成分复杂种类繁多，主要包括酚类，芳烃，杂环及其衍生物等，这些污染物含量较多，同时毒性大，一直是污水处理过程中的疑难问题。纳米TiO2拥有巨大的比表面积，通过与废水充分接触使有机物最大程度的被吸附；同时依靠其在光催化条件下的强氧化能力，可以快速将有机物氧化降解。鞠剑峰等[7]利用TiO2复合粉体对染料类化合物降解，即在可见光照射下，染料类化合物吸收光子而形成激发态，激发态的染料分子能向TiO2导带注入一个电子而自身生成正碳自由基，注入导带的电子与吸附在TiO2表面的O2作用后生成O2-，进一步形成?HOO等活性自由基，活性自由基攻击染料正碳自由基，形成羟基化合物，最终氧化生成小分子，使得染料污水的降解率达到74.7%。同样在对有机磷农药污水的降解表明通过光催化氧化，含磷有机物基本上可以完全无机化生成定量的PO43-。
2.3降解生活垃圾及医学除菌
降解处理生活垃圾，然而生物降解并不能降解所有的物质，而TiO2的强氧化性几乎对所有的有机物降解无选择性，可以降解一些生物降解难于降解的物质如色素，COD等，这种处理方法不仅速度快，效果好而且经济有效地缓解城市垃圾给环境带来的巨大压力。TiO2在医学领域的应用原理也基于自身的半导体光催化特性，TiO2光催化剂对绿脓杆菌，大肠杆菌，金黄色葡萄球菌有很强的杀菌能力。TiO2被紫外光激发产生的活性氧自由基和羟基自由基能穿透细胞壁，破坏细胞质从而有效的杀灭细菌，并能抑制细菌体内有机物的分解而产生的臭味，达到抗菌除臭功能，因此可以用纳米TiO2配制成光催化染料涂于医院的手术台和墙面上，这样可以让手术室长期保持一个清新、无菌的环境。
3.提高TiO2光催化活性
纳米二氧化钛在环保领域应用广泛，但由于其自身的导带宽度较窄，电子-空穴易复合等原因，使得TiO2光催化活性还有待于提高。通常可以通过掺杂过渡金属元素、负载化、协同催化、表面处理等提高TiO2的光催化活性。
段晓东等[8]在二氧化钛中掺杂质量分数为0.05%Fe催化活性要比使用纯的二氧化钛降解率提高了1.36倍，在二氧化钛中掺铁量为0.1660%使光催化降汽油中的有机物达到了98%而掺杂了矾的二氧化钛催化剂在相同条件下对H2S降解率提高了63%。程大莉[9]的研究指出，利用竹炭负载二氧化钛光催化降解苯酚明显提高了降解速率。鞠剑峰[7]等利用Fe3O4为磁性载体外包附纳米二氧化钛复合粉体制成的磁性悬浮负载型催化剂，既具备了悬浮光催化剂的高效性又可利用其磁性克服悬浮式催化剂难回收的特点，并通过实验表明纳米ZnO_TiO2/SiO2/Fe3O4复合粉体在阳光下能有效的降解废水，当复合粉体用量为1g/L载体SiO2/Fe3O4用量为22%时可以使印染污水脱色率达到68.7%。赵德明等[10]用US/UV降解苯酚，结果表明降解率提高了1.5―1.7倍。表面光敏化可以延伸TiO2的激发波长范围，提高长波辐射的光子利用率，提高了TiO2光量子效率。添加光敏化剂若丹名B可提高TiO2对光能的利用率。利用还原性气体对TiO2进行热处理可在其表面产生更多Ti3+，在TiO2表面形成合适的钛羟基和Ti3+的比例结构，促进电子和空穴的有效分离和界面电荷转移，从而提高光催化活性。
4.结束语
随着光催化技术和纳米TiO2技术的研究深入，纳米TiO2已经广泛应用于环境保护中的各个领域，但是我国在该技术上起步较晚且大部分停留在实验室，严重阻碍了这一绿色环保材料的实际应用，因此应该努力尽快将这些应用付诸于实际生产，为环境保护事业做出贡献，为生活环境带来洁净。■
【参考文献】
［1］FujishmaA.ElectrochemicalPhotolysisofWateratSemiconductorletrod[J].Nature,1972,37(l):283-245.
［2］刘建平，赵晓声.二氧化钛光催化技术净化有害气体的研究进展.工程设计与研究[J]，2006.
［3］ScbinationeffectofactivatedcarbonwithTiO2forthephotodegradationofbinarypollutantsattypicalindoorairleve[J].JiurnalofPhotochemistryandPhotobiologyA:Chemistry,2004,161(2-3):131-140.
［4］袭著革，李官贤.复合纳米TiO2净化典型室内空气污染物的初步研究[J].中国环境卫生2003,6（1-3）：121-124.
［5］吴雅睿，刘建，林舒.TiO2光催化降解处理水溶性甲醛的研究[J].应用化工，2010，03，329-332.
［6］JoWK，ParkJH，ChunHD.PhotocatalyticdestructionofVOCsforinvehicleaircleaning[J].PhotochemPhotobiolAChemistry，2002;148(1-3):109-119.
［7］鞠剑峰，汪冬庚，等.磁载纳米TiO2复合粉体处理印染污水[J].印染,2009，35(5):30-33.
［8］段晓东，孙德智.掺杂TiO2催化剂光催化氧化汽油研究[J].哈尔滨工业大学学报，2002,34(5)：725-729.
纳米二氧化钛范文篇2
提问：我能否安全地在产品中使用纳米技术?它目前是否对消费者有风险?
徐良教授解答：大约在10年前，粒径在30-60纳米范围的超细二氧化钛或氧化锌就开始进入国内化妆品配方师的视线，记得最早进入中国的这类原料以日本与法国产居多，而且很多纳米级的二氧化钛(或氧化锌)是经过表面处理的，有的是聚二甲基硅氧烷为代表的亲油性处理，有的则是亲水性处理，目的有两个：其一是经过表面包覆处理的纳米级的二氧化钛(或氧化锌)使二氧化钛(或氧化锌)不直接与皮肤接触，提高了它使用的安全性(主要是避免了一些可能存在的重金属与皮肤的接触)，其二是处理过的此类颜料具有了亲水或亲油性，在体系中更容易均匀的分散而不必在使用前用胶体磨将其分散在甘油或其他溶剂中。
此类纳米级的二氧化钛(或氧化锌)与我们在以前用的传统粒径的二氧化钛(或氧化锌)相比，它的防晒能力大为提高，另外，由于其小于可见光波长的超细粒径，它们涂在皮肤上不再是90年代初我国传统“增白粉蜜”产品那种白白的厚重感的遮盖，而是一种略显蓝光的透明质感效果，很受配方师与消费者的喜爱。
纳米二氧化钛范文篇3
20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。
由于纳米TiO2在催化及环境保护等方面具有广阔的应用前景，并可用于日用产品、涂料、电子、电力等工业部门，因此，纳米TiO2展现出巨大的市场前景。日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。
根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。
近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技术：⑥纳米TiO2产业化成套技术。由于以上条件的制约，使得纳米TiO2的应用和发展受到限制。
我国纳米TiO2的现状
在国外普遍开展了纳米TiO2的制备和应用技术开发，并取得了阶段性成果，我国纳米TiO2的研究在“九五”期间形成了高潮，据了解，进行纳米粉体制备技术研究的科学院所和高校几乎都在进行和进行过纳米TiO2的研究。重庆大学应用化学系是国内最早(1989年)研究纳米TiO2的单位，华东理工大学、中国科学院上海硅酸盐研究所是目前研究技术较全面、报道最多的单位。国内主要研究单位与制备方法见表2。
目前，国内涉足纳米TiO2生产的公司约有十家，总生产能力在1000多吨。四川攀枝花钢铁(集团)公司钢铁研究院年产200t生产装置是我国技术装备较先进、品种最为齐全的装置，可以生产金红石型和锐钛型两大系列各有4个(10～40)nm的粉体品种；由淮北芦岭煤矿和腾岭工贸有限公司共同组建的安徽科纳新材料有限公司年产100t生产基地在宿州市建成；江苏河海纳米科技股份有限公司投资5000万元，已经建成年产500t的规模；青岛科技大学纳米材料重点实验室与海尔集团联合开发的首条具有百吨生产能力的生产线已经建成并一次试车成功；济南裕兴化工总厂拥有先进的纳米TiO2生产线(已通过省级鉴定)，具备年产100t生产能力，可提供纳米锐钛型、金红石型的粉体和浆料共4个品种、多种规格的产品；此外，四川永禄科技有限公司、浙江舟山明日纳米有限公司、江苏五菱常泰纳米材料有限公司、河北茂源化工有限公司纳米TiO2装置也已建成。纳米TiO2的发展
1）纳米TiO2生产的特点
纵观国外纳米TiO2的生产，存在着以下特点：生产原料主要为四氯化钛、硫酸氧钛，生产方法主要有气相法和液相法。气相法主要有以四氯化钛为原料的氢氧火焰水解法，而液相法主要是以四氯化钛和硫酸氧钛为原料的化学沉淀法，且多数生产厂家为钛白粉生产厂，充分利用了原有氯化法和硫酸法生产装置的中间产物、生产技术、公用工程和生产管理方面的经验。
我国纳米TiO2的研究和生产具有以下几个特点：①对纳米TiO2的研究多、面广，力量分散，低水平的重复性研究现象严重，企业介入的力度不够；②重点进行了纳米TiO2制备技术的开发，对纳米TiO2的应用技术开发力度较小，尤其是有关应用的关键技术没有突破性进展；③工程开发能力薄弱，因纳米TiO2项目一般投资较小，一些大型的工程公司(设计院)对工程化的兴趣不大，不愿投入人力物力进行工程开发，④生产规模小、基本采用湿法工艺，土法上马，产品质量差，现有市场空间较小，没有给企业带来想象中的高利润。目前，我国纳米TiO2的市场价格大致为(7～42)万元/t，因为晶型、质量和产地不同价格差距较大，国内生产的产品价格为(7～24)万元/t。
2）我国纳米TiO2生产的发展建议
生产工艺的比较
气相法反应速度快，能实现连续化生产，而且制备的纳米TiO2纯度高、分散性好、团聚少、比表面活性大，产品特别适合于精细陶瓷材料、催化剂材料和电子材料。但气相法反应在高温下瞬间完成，要求反应物料在较短的时间内达到微观上的均匀混合，对反应器的形式、设备的材质、加热方式、进料方式均有很高的要求。目前气相法在我国处于小试阶段，欲达到工业化生产，还要解决一系列工程问题和设备材质问题。
与气相法相比，液相法生产的原料成本低了一个数量级。而且具有原料无毒、无危险性、常温液相反应、工艺过程简单易控制、易扩大到工业规模生产、三废污染少、产品质量稳定等优点。因此；液相法中硫酸氧钛和四氯化钛液相中的化学沉淀法最具工业化发展潜力。
原料生产路线
我国钛白工业近十年来发生了很大的变化，取得了令人瞩目的成就，其硫酸法钛白的生产已与国外先进技术差距不多，总生产能力已跃居世界第二位，仅次于美国。
根据纳米TiO2的生产特点，结合国内钛白生产的具体情况，我们提出了以硫酸法生产的中间产物硫酸氧钛为原料的生产路线，充分利用我国在硫酸法钛白工业生产中所取得的技术，以及工程化方面的经验，发展我国的纳米TiO2工业。
生产规模的确定
目前，国内纳米TiO2的需求量一种观点认为应在1万t左右，一种观点认为在1000t以下，我们认为在目前的情况下，后一种观点可能更符合国内的现实。目前国内纳米TiO2的生产能力已经能够满足现有市场的需求，但随着我国纳米产品的普及程度和人们消费观念的改变以及我国整体经济呈现稳步发展的态势，纳米TiO2必将迎来广阔的市场发展空间。因此，新上项目应在(400～500)t/a的生产规模，同时最好建在钛白生产厂内。
生产方法的选择
化学沉淀法一般分为均匀沉淀法、直接沉淀法和共沉淀法三种。其中均匀沉淀法具有工艺简单、产品质量好、易于操作等特点，是最具工业化发展前景的一种制备方法。均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢、均匀地释放出来。该方法中，加入溶液的沉淀剂不立刻与沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，使之通过溶液中的化学反应缓慢生成沉淀剂，只要控制好生成沉淀剂的速度，就可避免浓度不均匀现象，使过饱和度控制在适当的范围内，从而控制粒子的生长速度，获得粒度均匀、致密、便于洗涤、纯度高的纳米粒子，常用的均匀沉淀剂为尿素等。以硫酸氧钛为前驱物，以尿素为沉淀剂制备纳米二氧化钛的反应原理为：尿素水溶液在70℃左右开始水解，其反应式为：CO(NH2)2+3H2O=2NH3·H2O+CO2
由于尿素的分解速度受加热温度和尿素浓度的控制，因此可以使尿素分解速度降得很低，从而可得粒径分布均匀和粒径小的纳米TiO2。尿素的分解产物CO2和NH3，在反应或煅烧后均为气体，易挥发，不会对产品的纯度和质量造成影响。生成沉淀剂NH3·H2O在TiOSO4溶液中分布均匀、浓度低，使得沉淀物TiO(OH)2均匀生成：
TiOSO4+2NH3·H2O=TiO(OH)2+(NH4)2SO4
TiO(OH)2煅烧得到TiO2：
TiO(OH)2=TiO2+H2O
存在的问题
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