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基于负载纳米二氧化钛的弥散光纤的光催化废水处理反应器研究

胡艳  
【摘要】: 为了拓展光纤型光催化反应器在实际废水处理中的应用,本论文以构造新型光纤型光催化反应器为目标,开发了在低温条件下制备锐钛矿型纳米TiO_2溶胶以及在聚合物基底上直接沉积TiO_2光催化活性薄膜的新方法,构造了基于透紫外光的集束式弥散光纤的新型光纤型模型反应器,并以活性艳红X-3B作为模型化合物进行了光催化降解实验研究。研究工作的具体内容如下: 在温和条件(75℃、常压)下,将钛酸正丁酯(Ti(OBu)4)在大量的酸性水溶液中水解、回流,从而制备了锐钛矿型纳米TiO_2溶胶。该制备过程是一个简单、低温的过程。水溶液的酸性条件、回流时间及水/Ti(OBu)4摩尔比均对TiO_2溶胶粒子的大小、微观形貌和晶体结构产生影响。并在低温条件下,采用浸渍-提膜法将锐钛矿型纳米TiO_2溶胶沉积在石英玻片上,通过活性艳红X-3B的光催化降解实验证明TiO_2薄膜具有很好的光催化活性。 在室温条件下采用浸渍-提膜的方法将锐钛矿型纳米TiO_2溶胶沉积在有机玻璃及硅橡胶基底上,从而制备了TiO_2薄膜。基底材料的表面性能影响TiO_2薄膜的附着性,涂覆在聚合物基底表面的SiO_2膜不仅作为中间层保护基底材料不被TiO_2薄膜光催化降解,而且SiO_2膜相对亲水的表面增强了TiO_2薄膜对聚合物基底的附着性,更有利于TiO_2薄膜的沉积。沉积的TiO_2薄膜均表现了良好的光催化活性,由此证明,锐钛矿型纳米TiO_2溶胶可以用于室温条件下在聚合物例如硅橡胶基底上直接沉积TiO_2光催化活性薄膜,从而为纳米TiO_2在弥散光纤上的负载及其光催化应用奠定基础。 以空心微珠为弥散剂、硅橡胶为包层材料,制备了石英芯径为200μm、硅橡胶包层外径为360μm的单包层透紫外光型弥散光纤。以纳米气相SiO_2粉末为弥散剂、氟塑料及硅橡胶为包层材料,采用多包层涂覆工艺制备了石英芯径为200μm,氟塑料包层外径为250μm,硅橡胶包层外径为380μm的双包层透紫外光型弥散光纤。 利用SiO_2、TiO_2的双层膜结构将锐钛矿型TiO_2纳米粒子负载在弥散光纤表面。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片表明双层膜与弥散光纤的结合性很好,而且负载的TiO_2膜比较均匀、平整。负载TiO_2的单根弥散光纤对活性艳红X-3B的光催化降解结果表明,弥散光纤的侧面散射紫外光强能够激发TiO_2发生光催化氧化反应。弥散光纤具备一定强度及柔韧性,而且根据需要可以得到足够的长度。因此,负载TiO_2的弥散光纤能够用于构造满足实际废水处理需要的新型光纤型反应器。 利用研制的透紫外光型弥散光纤构造了新型光纤型模型反应器。反应器的主体是呈球面状均匀分散开的集束弥散光纤,与单光源设计相比,采用双光源输入的集束弥散光纤具有更强、更均匀的侧面发光强度。采用微孔曝气方式对反应溶液进行搅拌及供氧,使反应体系达到很好的混合效果,并促进光催化降解反应的进行。 在集束弥散光纤模型反应器中,以活性艳红X-3B为降解对象同时对TiO_2悬浮体系及负载体系进行了光催化降解实验研究。集束双包层弥散光纤的光催化反应效率高于集束单包层


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