粘土改性钨酸铋光催化剂的制备及其对有机污染物的降解性能研究

【摘要】：中国经济的迅猛发展和人们生活水平的显著提高,不可避免地对周围环境造成严重污染,如生活污水、工业废水、水土流失以及能源枯竭等问题,因此寻求清洁无污染的新型水处理技术是当今科学界探讨的重大课题。近年来,半导体光催化技术因具有环保、可持续利用和低成本等优势,受到业内人士的广泛关注。作为传统的光催化剂,二氧化钛(TiO_2)具有光催化能力强、无毒和价格低廉等特点,但由于禁带宽度较大(3.2 eV)、只能在紫外光(λ400 nm)下激发、比表面积小和难以回收利用等缺陷,在应用方面受到了极大的限制。钨酸铋(Bi_2WO_6)作为铋系氧化物中性能最佳的可见光催化剂备受科研人员的青睐,但吸附性差和量子产率低同样制约着它的发展进程。因此,对纯Bi_2WO_6进行负载和改性则具有深远的意义。本论文通过将Bi_2WO_6与凹凸棒石(ATP)、铁基蒙脱石(Fe/Na-MMT)复合制备出具有比表面积大和可见光催化活性高的新型光催化材料,对其进行光催化性能测试,以及进行晶体结构、微观形貌等方面的表征测试。主要实验内容如下:第一部分,通过溶剂热法制备出钨酸铋/凹凸棒石(Bismuth tungstate/attapulgite,Bi_2WO_6/ATP)复合材料,通过降解印染废水罗丹明B(RhB)和抗生素类废水四环素(TC)等来评价其性能。此外,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面积及孔结构分布(BET)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和液相色谱-质谱联用(LC-MS)等表征手段进行分析和鉴定。在自由基捕获实验中探究该复合材料对RhB溶液的降解机理。实验表明在前驱体溶液的pH为1、水热时间为18 h、水热温度为180°C、以及ATP与Bi_2WO_6的质量比为6%等条件下表现出最佳的降解性能。光生空穴(h+)和羟基自由基(·OH)在光降解过程中起主要作用。结果表明ATP的掺入不仅能提高对有机污染物的吸附性能,而且还能增强对可见光的响应能力,从而抑制光生电子-空穴的复合,提高光生载流子的分离效率。第二部分,通过高温煅烧法和溶剂热法制备钨酸铋/四氧化三铁/钠基蒙脱石(Bismuthtungstate/Ironoxide/Sodiummontmorillonite,Bi_2WO_6/Fe_3O_4/Na-MMT)复合材料,通过降解RhB来评价其性能,此外,通过XRD、SEM、XPS、BET、FT-IR、UV-vis DRS以及振动样品磁强计(VSM)等表征手段对其分析和检测。在自由基捕获实验中探究该复合材料对RhB溶液的降解机理。实验表明在水热温度为160°C、水热时间为22 h以及Bi_2WO_6与Fe/Na-MMT的质量比为15:1等条件下表现出较好的光催化活性。当未加H_2O_2时光生空穴(h+)起主要作用。当添加H_2O_2时,羟基自由基(·OH)起主要作用。结果表明Fe_3O_4和Na-MMT的掺入不仅能提高对有机污染物的吸附性能,而且通过施加外部磁场实现固液分离以及添加H_2O_2可以加速降解速率。