水解结晶控制仪设计的前期报告

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告
毕业设计题目：水解结晶控制仪的设计（通讯及数据处理软件设计）
专业：测控技术与仪器
学生信息：073146 曹娇娇测控C073
指导教师信息：06123 万峰副教授
报告提交日期：2011年3月30日
一、二氧化钛的作用
纳米TiO2材料除了具有纳米粒子所特有的体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应之外，还具有较高的光催化活性、优异的光电性能与氧化分解性能等。

在全面了解纳米TiO2的结构以及光催化机理的基础上，人们对其制备和改性进行了深入的研究，发现纳米TiO2在光能转换、废水废气净化、抗菌除臭等领域具有广泛的应用性能，而且因其具有粒子直径小，比表面积大，光催化、吸收性能好，吸收紫外线能力很强，表面活性大，磁性强，热导性和分散性好，所制备悬浮液稳定等优点在环境保护、医疗卫生、信息材料、能源等方面具有广泛的应用。

纳米TiO2有3种晶体结构，即锐钛矿、板钛矿及金红石。

它们组成结构的基本单位是TiO6八面体，锐钛矿结构由TiO6 八面体通过共边组成，而金红石和板钛矿结构则由TiO6 八面体共顶点且共边组成[1]。

纳米TiO2 是一种宽禁带半导体，其价带上的电子受到大于其禁带宽度能量的光照射时，会被激发跃迁到导带上，并在价带上留下相应的空穴。

产生的电子—空穴对一般具有皮秒级的寿命，足以使光生电子和光生空穴对经由禁带向来自溶液或气相的吸附在半导体表面的物质转移电荷。

目前应用最多的锐钛矿相TiO2，在pH为1 时的禁带宽度为3.2eV，在水和空气中吸收波长小于或等于387.5nm 的光子后，产生带负电的电子和带正电的空穴，吸附溶解在TiO2 表面的氧俘获电子形成·O2-，而空穴将吸附在TiO2表面的OH-和H2O 氧化成·HO。

·O2-和·HO 有很强的氧化能力，可以氧化有机物生成CO2 和H2O 等无机小分子，即发生了光催化反应的过程。

纳米TiO2 在环保和废水处理中得到了很好的广泛的应用.
1. 气体净化
近年来，随着工业的发展和人们生活水平的提高，空气污染越来越受到人们的重视，对环境造成危害的气体主要包括大气污染气体和室内有害气体。

利用纳米TiO2的催化作用[2]可以将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染
的目的。

2. 抗菌除臭
抗菌是指TiO2 在光照射下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。

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基（·O2-）和羟基自由基（·OH-）穿透细菌细胞壁，破坏细胞膜质，进入到菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其电子传输系统和呼吸系统，从而有有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质（如硫、硫化氢、二氧化硫、硫醇等）。

因此，纳米TiO2 具有净化空气和除臭的功能。

3. 处理有机污水
用TiO2做光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为二氧化碳和水等无害的物质。

4. 处理无机污水
除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂的表面时，能够捕获到表面的光生电子而发生还原反应，起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水中的无机重金属离子。

5. 用于防污、自洁装饰材料
TiO2不仅可以杀死细菌，还能分解有机油和无机污染物。

除此之外，TiO2 在化妆品、医药、功能陶瓷、纺织等方面也都有重要的用途。

目前，纳米TiO2光催化技术在环境保护中的应用越来越受到人们的关注与重视。

它对于环境保护、维持生态平衡、节约费用、实现可持续发展都具有重大意义。

但此项技术还处于由实验室向工业化发展得阶段，还有许多工作要做。

目前，国际上纳米TiO2的研究方向是：降低生产成本，减少纳米级超细产品的团聚，提高其分散性；通过表面处理提高产品的性能，拓展产品的应用领域；对粒子的大小形状进行有效的控制；以纳米超细TiO2为主体的高效光、电材料的开发。

二、二氧化钛的生产方法
钛白粉即白色颜料二氧化钛（TiO2）大部分是用金红石钛铁矿作原料，用人工方法制造的，其工业生产方法有硫酸法和氯化法。

纳米TiO2因具有规则的形貌、独特的表面特性和极小的晶粒尺寸,在电子传感[ 3 ]、太阳能电池[ 1 ]以及环境催化领域[ 4]显示出广阔的应用前景。

目前,人们制备出了各种形貌的纳
米TiO 2 晶体,其制备方法主要有溶胶- 凝胶法[ 5 ] 、水热法[1 ] 、超声化学法[ 6] 、电磁[ 7 ]喷溅法、化学沉淀法及反胶束法[ 8 ]、硫酸法[9]和氯化法等,其中后两种方法是工业生产方法。

电解法]制备纳米TiO 2[10] 的方法：由于TiCl 4 极容易水解,在室温下能与水迅速反应而产生块状的Ti (OH) 4 沉淀,同时放出大量的热。

因此,只有成功地控制水解的速度,才能得到性能优良的TiO 2 纳米晶。

实验中采用TiCl 4 作为前驱体,用强力搅拌,将一定量的TiCl 4 滴加到蒸馏水中,配置成一定浓度的TiCl 4 溶液。

放于电解池中，用磁力搅拌,在一定初始电压和初始浓度下，插入惰性电极在常温下进行电解。

待电流密度降低至一定程度时得到清亮的粘性胶体溶液。

采用电渗析法除去Cl - 离子(用0. 1 mol/L AgNO 3 来检测)后,进行冷冻干燥或在不同的温度下煅烧(升温速度10℃/min) ,从而得到不同晶型的TiO 2粉体。

水解法制备纳米TiO 2 [10]的方法：用盐酸调pH≈2的一定量的去离子水,加入3 mL 的TiC14 , 用磁力搅拌4 h ，在用1: 1的氨水调至p H≈7,静置约6 h;用去离子水洗涤沉淀并离心。

用 AgNO 3溶液检验,洗涤至无Cl - 为止。

将沉淀用60℃烘干后,在不同温度下焙烧煅烧。

硫酸盐制备纳米二氧化钛晶体：目前，在所有制备纳米二氧化钛材料的方法中，通过硫酸盐制备纳米二氧化钛晶体是最主要的方法，在工业生产中得到了广泛的应用。

该方法首先将干燥的钛铁矿石粉碎，然后用浓硫酸将其融解形成溶液，冷却结晶后除去其中的铁酸盐（主要是溶液中存在的亚铁离子和三价的钛离子），剩下的溶液就是用来制备二氧化钛晶体的母液。

将母液放入如下图1所示的装置中，开始制备纳米二氧化钛晶体。

图1 制备纳米二氧化钛晶体的反应装置
1 － 液体加入导管；
2 － 温度计；
3 － 搅拌器；
4 － 反应容器； 5－液面
4
首先用搅拌器搅拌母液，同时加入水，将母液和水的混合溶液逐渐加热，结晶反应开始得到纳米二氧化钛的晶体，该晶体是一种白色微粒状的沉淀物，并且其均匀地散布在溶液中，这些微粒作为晶核，随后产生的沉淀物慢慢向它沉积，通过进一步的加热与加水稀释，可以使它慢慢长大，成为所需要的纳米二氧化钛晶体。

实际的工作经验告诉我们，当在结晶体开始出现瞬时（结晶点），最好停止加热以及停止搅拌一段时间（大约30分钟），然后继续加热和搅拌，可以获得质量更好的纳米二氧化钛晶体（更好的过滤性），同时可以获得更高的产量（提高产量大概20%）。

因此问题的关键所在就是如何精确、及时地确定结晶点[5]。

三、结晶点确定方法及仪器工作原理
为了实时测定实验溶液色度变化从而根据色度的变化来跟踪结晶反应的进程，我们采用发光二极管发射红色单色光，光反射到光电池上，由光电池信号的变化来确定结晶点。

控制仪结构图
图2 控制仪的总体结构
方法的具体内容为：在反应器上方一侧加入一束光束的照射，在另一侧安放一个光电池，随着反应的进行，溶液中不断有晶体析出，光照射在晶体上发生反射，反射光的光强不断增
加，光电池的信号也就随之增加，然后对所得的数据进行处理，便可得到结晶过程的具体数据，进而对结晶过程进行自动化控制。

四、新方法的设计任务及任务分解
该方法包括以下部分：
1 光路的设计。

2 光电变换电路的设计。

3 数据通讯和数据处理的部分。

在此次设计中我主要完成通讯电路与数据处理软件的设计。

本次设计的主要内容是实现单片机与计算机之间的通讯，因此在具体的设计时要分为单片机部分的设计与计算机部分的设计[11]，另外还包括单片机与计算机之间的连接。

五、工作内容框图
图3 电路系统的总体结构框图
参考文献
1．邓捷，吴立峰.钛白粉应用手册.北京：化学工业出版社，2004.9
2. 郭树梁. 纳米二氧化钛的性能研究及其在环保领域应用. 天津工业大学纺织学院。

3．陈朝华，刘长河.钛白粉生产及应用技术.北京：化学工业出版社，2005.8
4. Jingzhe Zhao,Zichen Wang,Liwei Wang,The preparation and mechanism studies of porous titania.Materials Chemistry and Physics,2000,63:9～12
5. Brisktown D,Brian R Process for manufacturing titanium dioxide,US,4,288,418,1981 6．Hixson W,Walter W,Hydrated Titanium Oxide-Thermal Precipitation form Titanium Sulfate Solutions.Industrail and engineering chemistry,1933,25(3):262～274
7. Monroe M,Solomka E R Process for the hydrolysis of titanium sulfate solutions, GB,
1335537,1970
8. 闫同英.纳米级二氧化钛粉体的制备方法比较.化工新材料，2002，30（80）：20～22
9. 吴展阳. 硫酸法二氧化钛生产技术.China Academic Journal Electronic Publishing House
10.邓芳,王玫,罗旭彪,曾桂生,占幼才.电解法和水解法制备纳米二氧化钛的对比研究.
11.朱定华等.单片微机原理与应用.北京:清华大学出版社，2003。