一种光敏石英管及其制备方法

摘要

本发明属于化学化工领域，具体涉及一种光敏石英管，内部形成一氧化钛为掺杂剂的三元催化体系，并提供了以表面腐蚀、以异丙醇铝、二氯化钛和氯化铋为原材料的原位水解为主的制备方法。本发明解决了现有石英管的缺陷，利用一氧化钛为改性掺杂剂，以活性氧化铝与硅酸铋催化剂为活性催化体系，形成三元光敏催化结构，大大提升了石英管的光敏性。

权利要求

1.一种光敏石英管，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，将石英管放入乙醇水溶液中超声清洗10‑30min，烘干得到洁净的石英管；

步骤2，将石英管内壁涂覆氟硅酸 液膜，静置10‑20s，然后快速清洗，得到预处理的石英管；

步骤3，将步骤2中的石英管放置在反应釜内，并将异丙醇铝溶液喷雾至反应釜内，恒温静置20‑30min，氮气吹扫30‑50min，然后升温处理30‑50min，取出石英管，得到预处理石英管；

步骤4，将预处理石英管放入反应釜内静置10‑20min，并升温处理2‑4h，得到微改性石英管；

步骤5，将氯化硅恒温通入至石英管内，恒温静置2‑4h，降温取出石英管，在乙醇氛围内静置处理2‑4h，烘干得到硅酸酯改性石英管；

步骤6，将二氯化钛和氯化铋加入至乙醇内搅拌均匀，形成混合液，然后喷雾至石英管内形成内壁液膜，烘干得到内镀膜石英管；

步骤7，将内镀膜石英管静置水解反应1‑2h，烧结处理4‑7h，然后进行超声洗涤处理，得到光敏石英管。

2.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤1中的乙醇水溶液中的乙醇体积分数为50‑60％，所述超声清洗的超声频率为50‑70kHz，温度为20‑30℃；所述烘干采用真空烘干，且烘干的温度为110‑140℃。

3.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤2中的氟硅酸液膜采用低浓度氟硅酸溶液，且所述氟硅酸溶液的质量分数为2‑5％，涂覆量是0.1‑0.4mL/cm2，所述静置的温度为20‑30℃；快速清洗采用蒸馏水清洗，且清洗完成后进行浸泡微波处理10‑

20min；所述微波处理的温度为60‑80℃；微波功率为200‑500W。

4.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤3中的反应釜使用前进行吹扫处理，所述吹扫处理采用40‑60℃的干燥氮气以3‑5mL/min的速度吹扫；所述异丙醇铝溶液为异丙醇铝‑乙醇液，且异丙醇铝的浓度为5‑10g/L，所述喷雾量为2‑4mL/min，且喷雾总量中的异丙醇铝质量为5‑10g/L；恒温静置的温度为90‑100℃；氮气吹扫的速度为5‑

10mL/min，温度为90‑100℃；所述升温处理的温度为140‑150℃，所述取出石英管的温度为

130‑140℃，并逐步减温至100℃，降温速度为5‑10℃/min。

5.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤4中的静置的氛围为水蒸气‑氮气氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:20‑30，静置温度为100‑110℃，所述升温处理的温度为150‑180℃。

6.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤5中的恒温静置的温度为

60‑70℃，静置氛围为氮气氛围，所述降温的时间为40‑50℃，所述静置处理的温度为80‑90℃，乙醇氛围为乙醇与氮气氛围，其中乙醇体积含量为8‑12％。

7.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤6中的二氯化钛在乙醇中的浓度为2‑4％，氯化铋在乙醇中的浓度为20‑30g/L，搅拌速度为1000‑2000r/min，所述喷雾处理的速度为4‑8mL/min；烘干的温度为90‑100℃。

8.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述步骤7中的静置水解反应的氛围为氮气与水蒸气的混合氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:10‑20，所述静置水解反应的温度为100‑130℃，所述烧结采用真空烧结，且温度为250‑300℃，所述超声洗涤的溶剂为乙醇水溶液，且乙醇的体积占比为30‑50％，超声的频率为40‑60kHz，温度为40‑60℃。

9.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述光敏石英管内部形成一氧化钛为掺杂剂的三元催化体系。

10.根据权利要求1所述的光敏石英管，其特征在于：所述光敏石英管应用于光催化降解。

说明书

一种光敏石英管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于化学化工领域，具体涉及一种光敏石英管及其制备方法。

背景技术

[0002] 石英管玻璃由纯透明二氧化硅所组成，具有热胀系数小、耐高温、电绝缘性能好以及透辐射性能优越等一系列优良的物理和化学性能，是电光源工业的一种非常优良的耐高温灯用基础材料。目前市面上存在一些光分解用玻璃管，该玻璃管存在降解效率低下，降解不彻底，易失活的问题。

发明内容

[0003] 针对现有技术中的问题，本发明提供一种光敏石英管，解决了现有石英管的缺陷，利用一氧化钛为改性掺杂剂，以活性氧化铝与硅酸铋催化剂为活性催化体系，形成三元光敏催化结构，大大提升了石英管的光敏性。

[0004] 为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

[0005] 一种光敏石英管，包括如下步骤：

[0006] 步骤1，将石英管放入乙醇水溶液中超声清洗10‑30min，烘干得到洁净的石英管，所述乙醇水溶液中的乙醇体积分数为50‑60％，所述超声清洗的超声频率为50‑70kHz，温度为20‑30℃；所述烘干采用真空烘干，且烘干的温度为110‑140℃；

[0007] 步骤2，将石英管内壁涂覆氟硅液膜，静置10‑20s，然后快速清洗，得到预处理的石英管；所述氟硅酸液膜采用低浓度氟硅酸溶液，且所述氟硅酸溶液的质量分数为2‑5％，涂覆量是0.1‑0.4mL/cm2，所述静置的温度为20‑30℃；快速清洗采用蒸馏水清洗，且清洗完成后进行浸泡微波处理10‑20min；所述微波处理的温度为60‑80℃；微波功率为200‑500W；

[0008] 步骤3，将步骤2中的石英管放置在反应釜内，并将异丙醇铝溶液喷雾至反应釜内，恒温静置20‑30min，氮气吹扫30‑50min，然后升温处理30‑50min，取出石英管，得到预处理石英管；所述反应釜使用前进行吹扫处理，所述吹扫处理采用40‑60℃的干燥氮气以3‑5mL/min的速度吹扫；所述异丙醇铝溶液为异丙醇铝‑乙醇液，且异丙醇铝的浓度为5‑10g/L，所述喷雾量为2‑4mL/min，且喷雾总量中的异丙醇铝质量为5‑10g/L；恒温静置的温度为90‑100℃；氮气吹扫的速度为5‑10mL/min，温度为90‑100℃；所述升温处理的温度为140‑150℃，所述取出石英管的温度为130‑140℃，并逐步减温至100℃，降温速度为5‑10℃/min；该步骤利用喷雾的方式将异丙醇铝溶液进入至反应釜内，均匀分散，并在恒温静置过程中固液分离；在乙醇去除后，异丙醇铝在温度条件下进行气态化，并渗透至石英管表面缝隙，达到负载粘附效果，并在温度下降中形成液态，体现出良好的流通，并不断下降至形成固态；
在蒸汽环境下，仅少量的异丙醇铝粘附在表面处理过的石英管内，且停留在石英管的表面缝隙内，并通过液体自身的流平特性形成均匀分布的效果；

[0009] 步骤4，将预处理石英管放入反应釜内静置10‑20min，并升温处理2‑4h，得到微改性石英管；所述静置的氛围为水蒸气‑氮气氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:20‑30，静置温度为100‑110℃，所述升温处理的温度为150‑180℃；该步骤先通过静置水解的方式将表面的异丙醇铝铝转化为纳米级氢氧化铝，并在升温处理过程中进行直接转化为活性氧化铝；

[0010] 步骤5，将氯化硅恒温通入至石英管内，恒温静置2‑4h，降温取出石英管，在乙醇氛围内静置处理2‑4h，烘干得到硅酸酯改性石英管；所述恒温静置的温度为60‑70℃，静置氛围为氮气氛围，所述降温的时间为40‑50℃，所述静置处理的温度为80‑90℃，乙醇氛围为乙醇与氮气氛围，其中乙醇体积含量为8‑12％；利用活性氧化铝的特性与多孔特性，将氯化硅吸附至氧化铝内，并形成稳定的固化，通过降温的方式将氯化硅转化为液态，并在多孔氧化铝内形成内部液膜；在乙醇条件下进行酯化保护；

[0011] 步骤6，将二氯化钛和氯化铋加入至乙醇内搅拌均匀，形成混合液，然后喷雾至石英管内形成内壁液膜，烘干得到内镀膜石英管，所述二氯化钛在乙醇中的浓度为2‑4％，氯化铋在乙醇中的浓度为20‑30g/L，搅拌速度为1000‑2000r/min，所述喷雾处理的速度为4‑8mL/min；烘干的温度为90‑100℃；所述喷雾的方式将二氯化钛和氯化铋均匀分散在氛围中并通过自吸附的方式将部分二氯化钛和氯化铋沉积在氧化铝与内部，同时与硅酸乙酯的溶解渗透性，促使内部形成三元混合体系；烘干过程中将作为溶剂的乙醇快速蒸发；

[0012] 步骤7，将内镀膜石英管静置水解反应1‑2h，烧结处理4‑7h，然后进行超声洗涤处理，得到光敏石英管；所述静置水解反应的氛围为氮气与水蒸气的混合氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:10‑20，所述静置水解反应的温度为100‑130℃，所述烧结采用真空烧结，且温度为250‑300℃，所述超声洗涤的溶剂为乙醇水溶液，且乙醇的体积占比为30‑50％，超声的频率为40‑60kHz，温度为40‑60℃；水解反应主要将氧化铝内部吸附的二氯化钛、氯化铋和硅酸乙酯形成水解，并产生大量的羟基结构，并在后续的烧结过程中形成缩水缩聚，达到结构形成一氧化钛复合硅酸铋体系，且该体系包裹在活性氧化铝周边，与活性氧化铝形成羟基配合，达到促进光敏效果，同时一氧化钛表现出的电子导电性，加快铋系催化剂的催化效率，一氧化钛的存在能够起到吸引氧离子的效果，将活性氧化铝和硅酸铋的氧离子定向移位，从而提升了整体的催化效果。

[0013] 上述方法制备的光敏石英管内部形成一氧化钛为掺杂剂的三元催化体系，在185‑500波长范围内具有高效光催化活性，能够在可见光或紫外光辐射下光催化氧化降解有机化合物。

[0014] 将上述的光敏石英管应用于光催化降解实验，以罗丹明B、亚甲基蓝和甲基橙水溶液作为目标降解物及进行光催化降解处理，取得了较好的降解效果。

[0015] 从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

[0016] 1.本发明解决了现有石英管的缺陷，利用一氧化钛为改性掺杂剂，以活性氧化铝与硅酸铋催化剂为活性催化体系，形成三元光敏催化结构，大大提升了石英管的光敏性。

[0017] 2.本发明的制备方法工艺简单，光催化性能稳定，光催化降解效率高，稳定性好，不易失活。

具体实施方式

[0018] 结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。

[0019] 实施例1

[0020] 一种光敏石英管内部形成一氧化钛为掺杂剂的三元催化体系，在185‑500波长范围内具有高效光催化活性，能够在可见光或紫外光辐射下光催化氧化降解有机化合物；其制备方法包括如下步骤：

[0021] 步骤1，将石英管放入乙醇水溶液中超声清洗10min，烘干得到洁净的石英管，所述乙醇水溶液中的乙醇体积分数为50％，所述超声清洗的超声频率为50kHz，温度为20℃；所述烘干采用真空烘干，且烘干的温度为110℃；

[0022] 步骤2，将石英管内壁涂覆氟硅液膜，静置10s，然后快速清洗，得到预处理的石英管；所述氟硅酸液膜采用低浓度氟硅酸溶液，且所述氟硅酸溶液的质量分数为2％，涂覆量2
是0.1mL/cm ，所述静置的温度为20℃；快速清洗采用蒸馏水清洗，且清洗完成后进行浸泡微波处理10min；所述微波处理的温度为60℃；微波功率为200W；

[0023] 步骤3，将步骤2中的石英管放置在反应釜内，并将异丙醇铝溶液喷雾至反应釜内，恒温静置20min，氮气吹扫30min，然后升温处理30min，取出石英管，得到预处理石英管；所述反应釜使用前进行吹扫处理，所述吹扫处理采用40℃的干燥氮气以3mL/min的速度吹扫；所述异丙醇铝溶液为异丙醇铝‑乙醇液，且异丙醇铝的浓度为5g/L，所述喷雾量为2mL/min，且喷雾总量中的异丙醇铝质量为5g/L；恒温静置的温度为90℃；氮气吹扫的速度为5mL/min，温度为90℃；所述升温处理的温度为140℃，所述取出石英管的温度为130℃，并逐步减温至100℃，降温速度为5℃/min；

[0024] 步骤4，将预处理石英管放入反应釜内静置10min，并升温处理2h，得到微改性石英管；所述静置的氛围为水蒸气‑氮气氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:20，静置温度为100℃，所述升温处理的温度为150℃；

[0025] 步骤5，将氯化硅恒温通入至石英管内，恒温静置2h，降温取出石英管，在乙醇氛围内静置处理2h，烘干得到硅酸酯改性石英管；所述恒温静置的温度为60℃，静置氛围为氮气氛围，所述降温的时间为40℃，所述静置处理的温度为80℃，乙醇氛围为乙醇与氮气氛围，其中乙醇体积含量为8％；

[0026] 步骤6，将二氯化钛和氯化铋加入至乙醇内搅拌均匀，形成混合液，然后喷雾至石英管内形成内壁液膜，烘干得到内镀膜石英管，所述二氯化钛在乙醇中的浓度为2％，氯化铋在乙醇中的浓度为20g/L，搅拌速度为1000r/min，所述喷雾处理的速度为4‑8mL/min；烘干的温度为90℃；

[0027] 步骤7，将内镀膜石英管静置水解反应1h，烧结处理4h，然后进行超声洗涤处理，得到光敏石英管；所述静置水解反应的氛围为氮气与水蒸气的混合氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:10，所述静置水解反应的温度为100℃，所述烧结采用真空烧结，且温度为250℃，所述超声洗涤的溶剂为乙醇水溶液，且乙醇的体积占比为30％，超声的频率为40kHz，温度为40℃。

[0028] 以上述的光敏石英管(内径为10mm)应用于光催化降解实验，以罗丹明B作为目标降解物进行光催化降解处理，罗丹明B浓度为10mg/L，在紫外光照射3h和可见光照射5h后罗丹明B的降解率分别达到93.27％和95.85％。

[0029] 实施例2

[0030] 一种光敏石英管内部形成一氧化钛为掺杂剂的三元催化体系，在185‑500波长范围内具有高效光催化活性，能够在可见光或紫外光辐射下光催化氧化降解有机化合物；其制备方法包括如下步骤：

[0031] 步骤1，将石英管放入乙醇水溶液中超声清洗30min，烘干得到洁净的石英管，所述乙醇水溶液中的乙醇体积分数为60％，所述超声清洗的超声频率为70kHz，温度为30℃；所述烘干采用真空烘干，且烘干的温度为140℃；

[0032] 步骤2，将石英管内壁涂覆氟硅液膜，静置20s，然后快速清洗，得到预处理的石英管；所述氟硅酸液膜采用低浓度氟硅酸溶液，且所述氟硅酸溶液的质量分数为5％，涂覆量2
是0.4mL/cm ，所述静置的温度为30℃；快速清洗采用蒸馏水清洗，且清洗完成后进行浸泡微波处理20min；所述微波处理的温度为80℃；微波功率为500W；

[0033] 步骤3，将步骤2中的石英管放置在反应釜内，并将异丙醇铝溶液喷雾至反应釜内，恒温静置30min，氮气吹扫50min，然后升温处理50min，取出石英管，得到预处理石英管；所述反应釜使用前进行吹扫处理，所述吹扫处理采用60℃的干燥氮气以5mL/min的速度吹扫；所述异丙醇铝溶液为异丙醇铝‑乙醇液，且异丙醇铝的浓度为10g/L，所述喷雾量为4mL/min，且喷雾总量中的异丙醇铝质量为10g/L；恒温静置的温度为100℃；氮气吹扫的速度为
10mL/min，温度为100℃；所述升温处理的温度为150℃，所述取出石英管的温度为140℃，并逐步减温至100℃，降温速度为10℃/min；

[0034] 步骤4，将预处理石英管放入反应釜内静置20min，并升温处理2‑4h，得到微改性石英管；所述静置的氛围为水蒸气‑氮气氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:30，静置温度为110℃，所述升温处理的温度为180℃；

[0035] 步骤5，将氯化硅恒温通入至石英管内，恒温静置4h，降温取出石英管，在乙醇氛围内静置处理4h，烘干得到硅酸酯改性石英管；所述恒温静置的温度为70℃，静置氛围为氮气氛围，所述降温的时间为50℃，所述静置处理的温度为90℃，乙醇氛围为乙醇与氮气氛围，其中乙醇体积含量为12％；

[0036] 步骤6，将二氯化钛和氯化铋加入至乙醇内搅拌均匀，形成混合液，然后喷雾至石英管内形成内壁液膜，烘干得到内镀膜石英管，所述二氯化钛在乙醇中的浓度为4％，氯化铋在乙醇中的浓度为30g/L，搅拌速度为2000r/min，所述喷雾处理的速度为8mL/min；烘干的温度为100℃；

[0037] 步骤7，将内镀膜石英管静置水解反应2h，烧结处理7h，然后进行超声洗涤处理，得到光敏石英管；所述静置水解反应的氛围为氮气与水蒸气的混合氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:20，所述静置水解反应的温度为130℃，所述烧结采用真空烧结，且温度为300℃，所述超声洗涤的溶剂为乙醇水溶液，且乙醇的体积占比为50％，超声的频率为60kHz，温度为60℃。

[0038] 以上述的光敏石英管(内径为20mm)应用于光催化降解实验，以甲基橙水作为目标降解物进行光催化降解处理，甲基橙水浓度为50mg/L，在紫外光照射3h和可见光照射5h后甲基橙水的降解率分别达到98.83％和99.28％。

[0039] 实施例3

[0040] 一种光敏石英管内部形成一氧化钛为掺杂剂的三元催化体系，在185‑500波长范围内具有高效光催化活性，能够在可见光或紫外光辐射下光催化氧化降解有机化合物；其制备方法包括如下步骤：

[0041] 步骤1，将石英管放入乙醇水溶液中超声清洗20min，烘干得到洁净的石英管，所述乙醇水溶液中的乙醇体积分数为55％，所述超声清洗的超声频率为60kHz，温度为25℃；所述烘干采用真空烘干，且烘干的温度为130℃；

[0042] 步骤2，将石英管内壁涂覆氟硅液膜，静置15s，然后快速清洗，得到预处理的石英管；所述氟硅酸液膜采用低浓度氟硅酸溶液，且所述氟硅酸溶液的质量分数为4％，涂覆量2
是0.3mL/cm ，所述静置的温度为25℃；快速清洗采用蒸馏水清洗，且清洗完成后进行浸泡微波处理15min；所述微波处理的温度为70℃；微波功率为400W；

[0043] 步骤3，将步骤2中的石英管放置在反应釜内，并将异丙醇铝溶液喷雾至反应釜内，恒温静置25min，氮气吹扫40min，然后升温处理40min，取出石英管，得到预处理石英管；所述反应釜使用前进行吹扫处理，所述吹扫处理采用50℃的干燥氮气以4mL/min的速度吹扫；所述异丙醇铝溶液为异丙醇铝‑乙醇液，且异丙醇铝的浓度为8g/L，所述喷雾量为3mL/min，且喷雾总量中的异丙醇铝质量为8g/L；恒温静置的温度为95℃；氮气吹扫的速度为8mL/min，温度为95℃；所述升温处理的温度为145℃，所述取出石英管的温度为135℃，并逐步减温至100℃，降温速度为8℃/min；

[0044] 步骤4，将预处理石英管放入反应釜内静置15min，并升温处理3h，得到微改性石英管；所述静置的氛围为水蒸气‑氮气氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:25，静置温度为105℃，所述升温处理的温度为170℃；

[0045] 步骤5，将氯化硅恒温通入至石英管内，恒温静置3h，降温取出石英管，在乙醇氛围内静置处理3h，烘干得到硅酸酯改性石英管；所述恒温静置的温度为65℃，静置氛围为氮气氛围，所述降温的时间为45℃，所述静置处理的温度为85℃，乙醇氛围为乙醇与氮气氛围，其中乙醇体积含量为10％；

[0046] 步骤6，将二氯化钛和氯化铋加入至乙醇内搅拌均匀，形成混合液，然后喷雾至石英管内形成内壁液膜，烘干得到内镀膜石英管，所述二氯化钛在乙醇中的浓度为3％，氯化铋在乙醇中的浓度为25g/L，搅拌速度为1500r/min，所述喷雾处理的速度为6mL/min；烘干的温度为95℃；

[0047] 步骤7，将内镀膜石英管静置水解反应2h，烧结处理6h，然后进行超声洗涤处理，得到光敏石英管；所述静置水解反应的氛围为氮气与水蒸气的混合氛围，且水蒸气与氮气的体积比为1:15，所述静置水解反应的温度为120℃，所述烧结采用真空烧结，且温度为260℃，所述超声洗涤的溶剂为乙醇水溶液，且乙醇的体积占比为40％，超声的频率为50kHz，温度为50℃。

[0048] 以上述的光敏石英管(内径为10mm)应用于光催化降解实验，以亚甲基蓝作为目标降解物进行光催化降解处理，亚甲基蓝的浓度为50mg/L，在紫外光照射3h和可见光照射5h后亚甲基蓝的降解率分别达到99.52％和99.95％。

[0049] 可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。