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改性纳米TiO_2光催化剂的制备及其去除水中染料污染物的研究

王韶华  
【摘要】: 作为一种先进的高级氧化技术,纳米二氧化钛因具有高的光催化活性、良好的化学稳定性、廉价无毒等优点,被广泛应用于污水处理、空气净化等领域,成为环境、化学、材料科学等领域的研究热点。但二氧化钛禁带宽度大(3.2 eV),只能利用太阳光中的紫外线部分(仅占太阳能3-4%),而且存在分离回收难的问题,因而实际应用受到限制。通过多种改性方法提高催化剂的活性,丰富分离手段,提高催化剂的太阳光利用率是这一技术大规模应用的重要环节。本文通过对纳米二氧化钛掺杂改性、负载技术及光催化降解水中染料污染物的研究,探索最佳制备工艺和光催化降解条件,以期进一步充实光催化技术的研究。 采用浸渍法和溶胶-凝胶法,首先制备了负载有MnxZn1-xFe2O4软磁粒子的活性炭,然后以钛酸四丁酯为钛源,将TiO2负载到具有磁性的多孔活性炭表面,在氮气气氛下程序升温处理得到可磁分离的TiO2/MnxZn1-xFe2O4/AC磁性光催化剂(TFAC)。研究结果表明:在对甲基橙(MO)的光催化降解中,TiO2/MnxZn1-xFe2O4/AC磁性光催化剂的最佳质量比为8∶1∶4,最适宜煅烧温度为450℃、煅烧时间为2 h。TFAC磁性光催化剂具有比P25和纯TiO2高的光催化活性,且具有良好的软磁性能,在外加磁场的作用下很容易从体系中分离出来,撤掉外加磁场后又很容易再次分散,催化剂经五次循环使用MO去除率仍接近90%。经过XRD、FT-IR、SEM、BET等表征手段分析,活性炭负载TiO2后,TiO2晶相结构为高催化活性的锐钛矿型,活性炭的负载可以有效抑制TiO2晶粒的尺寸,减少颗粒团聚;同时活性炭和TiO2相互作用,接触面形成了新的Ti-O-C键,具有很强的协同效应,均有利于提高磁性光催化剂的光催化活性。 研究了TiO2/MnxZn1-xFe2O4/AC的吸附和光催化性能,考察了染料初始浓度、溶液pH值、H2O2浓度等因素对光催化降解MO的影响。结果表明,染料初始浓度与其脱色速率成反比;pH值在等电点附近,脱色效果最差,酸性或碱性条件有利于甲基橙的脱色;适量的H2O2能够提高MO的脱色效率,其最佳浓度为2 mmol/L;不同共存离子对脱色效率影响不同。根据降解过程中TOC、SO42–和NH4+等无机离子生成量、UV-Vis光谱及HPLC的变化分析了MO的脱色降解过程。随着反应的进行,脱色率不断提高,但是TOC的去除相对缓慢一些,HPLC研究表明中间产物较少。根据溶液中总S和总N的理论值与实际检测值推断MO的降解过程中磺酸基和N的转化过程。脱磺酸基和脱色反应均为初始反应,大部分N是以N2形式释放出去。运用Langmuir和Freundlich等温吸附模型对甲基橙和苯酚在TiO2/MnxZn1-xFe2O4/AC表面的吸附规律进行模拟,然后分别计算并对比各参数值,结果表明TiO2/MnxZn1-xFe2O4/AC对MO具有更高的吸附能力。甲基橙的光催化降解反应符合L-H准一级动力学模型。 以钛酸四丁酯为原料,次磷酸为磷源,碳纳米管为载体,采用水热法制备了复合光催化剂P/TiO2/MWCNTs。研究表明:水热法制备的复合光催化剂比纯TiO2的晶粒小,比表面积有所增加,P-TiO2颗粒均匀地包覆在MWCNTs表面上。微量的P掺杂后,P以+5价氧化态(P5+)存在,它可以取代部分锐钛相二氧化钛晶格中的Ti4+。而P5+能够接受电子从而成为光生电子捕获中心,这样磷掺杂就降低了光生载流子的复合几率,从而增加了量子效率。同时,MWCNTs负载后,MWCNTs和P-TiO2之间产生协同作用,MWCNTs可作为电子接受体,易接受TiO2导带上的光生电子,有效地抑制TiO2光生电子和空穴的复合。复合光催化剂的荧光强度明显降低,也表明MWCNTs负载后光生电子和空穴复合几率下降。复合光催化剂吸收边发生红移,在可见光和紫外光下都表现出较高的光催化活性。其中,光催化活性最好的是MWCNTs和P-TiO2质量比为5%的样品CPT005。因此,掺杂适量的P和MWCNTs,可以显著地提高TiO2的光催化活性,拓宽光响应范围。采用溶胶-凝胶法制备P/TiO2/MWCNTs进行了对比研究。 采用水热法,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板,尿素为沉淀剂,制备了结构新颖的半导体光催化剂Bi2O3中空微球。利用XRD、FT-IR、SEM等方法进行表征,研究了对水中亚甲基蓝的可见光催化降解。研究表明:Bi2O3中空微球是通过碱式碳酸铋的热分解得到的,水热反应的温度为260℃、反应时间为24 h、Bi3+/CO(NH2)2的最佳摩尔比为1∶4.5。Bi2O3对低浓度的亚甲基蓝溶液具有良好的可见光催化活性,酸性环境下有利于亚甲基蓝的光催化降解;适量添加氧化剂H2O2能有效提高Bi2O3的可见光催化活性。


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