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玻璃表面纳米TiO_2膜的制备及其光催化性能研究

张元晶  
【摘要】:针对TiO_2粉末催化剂存在难以经济有效地分离、光能利用率低、催化剂易于凝聚沉降等缺点,采用溶胶一凝胶法,以钛酸四丁酯为原料,对TiO_2纳米微晶粉体和微晶薄膜的制备工艺进行了研究,解决了TiO_2的固定问题,在普通玻璃表面上获得了负载牢固的锐钛矿型纳米TiO_2薄膜。在此基础上,选择主波长为253.7nm的紫外线杀菌灯或太阳光为光源,研究了悬浮相纳米TiO_2光催化反应器和固定相纳米TiO_2光催化反应器对水中污染物的去除效果,包括含油废水、模拟染料废水,并讨论了反应器制备中影响其处理效率的因素,即溶胶制备过程中的因素和涂膜工艺的因素,从而得到了反应器制备的最佳工艺参数。通过对固定相纳米TiO_2光催化反应器性能和影响其性能的环境因素的考察,从光催化氧化技术实际应用的角度对反应器的设计进行了研究。最后探讨了固定相纳米TiO_2光催化反应器处理模拟染料废水罗丹明B溶液的动力学规律,提出了罗丹明B降解的动力学模型。 实验研究的主要结果表明:以钛酸四丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法,可制得纳米半导体光催化剂TiO_2。该反应条件易于控制,反应过程平稳;可使各组分分布均匀性达到分子级水平,从而获得高质量的溶胶和凝胶,进而获得所需粒径的纳米粒子。AFM、XRD、TEM、SEM和厚度分析结果表明TiO_2产物的晶型、粒度及粒径分布能够通过反应条件的优化加以控制,合成出的样品为锐钛矿型纳米TiO_2,其中TiO_2粉体的平均粒径为10~30nm,TiO_2薄膜中粒子的平均粒径为3~4nm, 北京化工大学硕士学t立论文 单层薄膜的厚度为纳米级。两种制备工艺条件下粒子的粒度分布均比 较窄。悬浮相纳米TIO:光催化反应器对含油废水具有优异的光催化降 解性能,其降解速率高于普通生化法,并具备利用太阳光的可行性。 固定相光催化反应器中,纳米Ti02/玻璃薄膜具备比较高的吸附性能, 薄膜的牢固性能理想,具有抵抗不良环境下介质对薄膜使用寿命危害 的性能,薄膜的使用寿命良好。其中填充式固定床型光催化反应器的 效率明显好于非填充式的。对光催化氧化动力学的研究中,首次提出 了罗丹明B染料废水色度降解为两步连续不可逆反应的假设,并通过 理论推导和实验现象证明了这一假设的正确性。


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