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Cu~(2+)/ZnO/TiO_2复合光催化剂处理油田废水中有机物研究

李佳星  
【摘要】:油田废水中含有大量有机污染物,有毒有害,难以降解,传统水处理工艺对油田废水中的有机物去除效率低、成本高。光催化氧化工艺对有机物的去除效果好,且经济、绿色、环保。对光催化剂进行改性研究,可以大幅度提高光催化剂的光催化活性、提升光催化降解效果,最终用于处理实际油田废水。二氧化钛因为光催化活性高和稳定性好成为改性研究的重点材料之一。以往对二氧化钛进行改性研究多集中于单一物质掺杂改性、贵金属掺杂或半导体复合改性二氧化钛,光催化效果有限且成本高。本研究用溶胶-凝胶法对二氧化钛进行掺杂改性,利用过渡金属铜和氧族化合物氧化锌合成了Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2,经正交试验得出最佳掺杂量为Cu~(2+):0.4%,Zn O:0.1%。利用该比例下的新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2光催化降解亚甲基蓝溶液,通过紫外吸收光谱对亚甲基蓝的光催化降解结果进行分析讨论,结果表明:新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2在8w紫外灯光源照射下,光催化降解亚甲基蓝溶液2 h后,降解率达到了99.92%,同等条件下催化效果优于未掺杂改性的二氧化钛光催化剂和单一掺杂光催化剂。对新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2进行X射线衍射仪(XRD)、比表面积(BET)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、紫外光谱(UV-vis)和热重分析(TGA)表征。表征结果表明:掺杂后的新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2的XRD衍射峰值在四种复合光催化剂中最高,为锐钛矿型结构,掺杂效果好,无杂峰出现,纯度较高,平均粒径为16.6 nm;经BET分析可知新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2的比表面积为108.6 m~2/g,平均孔径为2.57 nm,一定质量分数的Cu~(2+)和Zn O的掺杂增大了催化剂的比表面积和孔隙数量,使催化剂在光催化反应时吸附能力增强,增大反应接触面,从而提高了新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2的光催化活性;SEM图分析催化剂形貌可知,新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2具有大量孔隙结构及絮状海绵结构;红外光谱显示新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2在3500 cm~(-1)处出现明显的羟基伸缩振动峰,较其他复合光催化剂活性更高;UV-vis光谱表明,新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2对紫外光的吸收能力更强、吸收范围更宽,对光敏感程度高,光催化活性好;TGA分析表明,新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2的最佳煅烧温度约为500℃。经过光催化反应动力学研究以及重复性实验证明,新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2的光催化速率常数是纯Ti O_2的约2.3倍,在重复使用5次后,反应速率常数基本保持不变,具有稳定性。建立了小型光催化装置,并对其进行改良,使其光催化降解效率相比原装置提升了7%。探究新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2的最佳光催化实验条件,结果证明:在p H=7,反应温度25℃,反应前物质浓度为100~200 mg/L且催化剂的用量为2.0 g/L情况下,光催化效率最高。在最佳光催化实验条件下对油田废水中典型有机污染物苯胺和乙醇进行光催化降解,结果表明,新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2对苯胺和乙醇的去除率达到了78.5%和68.3%。利用新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2光催化降解实际油田废水中的苯系物(苯、甲苯、二甲苯)和COD,结果表明:光催化降解7h后,新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2对苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯和对二甲苯的去除率分别为93.7%、89.9%、94.3%、93.6%和95.5%;对COD的去除率为80.9%。经光催化处理后油田废水水样中残余COD值为88.8 mg/L,结果证明新型Cu~(2+)/Zn O/Ti O_2能有效去除实际油田废水中的有机物成分,经光催化处理后废水中苯系物和COD含量均符合石油化学工业污染物排放标准(GB31571-2015)。


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