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纳米TiO_2光催化氧化处理苯酚水溶液的研究

刘仁龙

  含酚废水是冶金工业废水中的一类,其危害大、处理困难,已成为我国目前重点控制的废水之一。光催化氧化技术是近年来发展起来的一种新型水处理技术,因高效、无二次污染,且具有可直接利用太阳能的潜力,而受到各国学者的关注。纳米二氧化钛光催化材料因其特殊的性能,已在空气净化、饮用水消毒和工业废物处理等方面显示出广阔的应用前景。但由于粉末状光催化剂在使用过程中存在分离与回收困难等问题,因而光催化膜逐渐成为一个新的研究热点。本论文采用溶胶—凝胶法研究制备玻璃基纳米TiO_2光催化膜。以钛酸丁酯为前驱物和冰醋酸为螯合剂,重点考察了影响溶胶—凝胶过程的影响因素,即螯合剂的加入与否、加水量与加水方式、加酸量、溶剂种类和用量、水解温度及陈化环境等,并对TiO_2胶凝过程机理进行了基本的探讨。结果表明:加入冰醋酸抑制钛酸丁酯的水解,对凝胶过程的影响较大,凝胶时间随冰醋酸的加入量的增加而延长;水对钛酸丁酯的水解缩聚反应影响很大,是溶胶—凝胶过程的一个关键参数。采用差热—热重分析法(DTA-TG)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等现代测试技术,分析和研究了所制备纳米TiO_2的微观结构、性能。运用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)手段,测量和考察了玻璃基纳米TiO_2光催化膜的晶型、晶粒尺寸和膜的表面形貌,探讨了影响玻璃基纳米TiO_2光催化膜性能的各种因素。实验结果表明,TiO_2晶粒外观呈球形,粒径约在30~100nm左右。论文研究了纳米TiO_2粒子生长及晶型转化动力学行为。由于纳米TiO_2粒径较小,有利于TiO_2由锐钛型向金红石型的转化,从而引起晶型转化活化能的降低。本研究得到的晶型转化活化能为129.26 kJ/mol,明显小于理论值。在纳米TiO_2制备基础上,本论文实验研究了玻璃基纳米TiO_2膜光催化氧化处理含酚废水的行为,详细考察了苯酚初始浓度、溶液pH值、氧化剂投加量、反应时间、不同光源、玻璃基纳米TiO_2膜的焙烧温度等因素对光催化降解苯酚的影响,得出以下主要结论:(1) 随着溶液初始浓度的增加,光催化速率常数降低,这可能与苯酚在催化剂上的相对吸附率有关,而初始反应速率却随着溶液初始浓度的增加而减小,这可能与催化剂吸附位的数量有关。(2) pH值对光催化的影响比较明显,酸性条件有利于光催化进行,而碱性条件对光催化有抑制作用。光催化效果随pH的变化和pH对催化剂吸附性能的影响表现出良好的一致性,由此推测,苯酚在催化剂表面的吸附是影响反应效果的重要步骤。(3) 氧化剂投加量的增加,可以在反应体系中引入更多的光催化活性因子,促进光催化反应。(4) 纳米TiO_2的晶型结构随着温度的升高,由锐钛晶型向金红石型转变,其粉末的转变温度在450~500℃之重庆大学博士学位论文间。在550℃下焙烧1h的纳米TIOZ膜光催化活性最高,其锐钦矿含量为82.75%,粒径为30一loonm。在浓度为80mg/L的苯酚溶液中加入H202,当pH值为2时,在高压汞灯的照射下,经TIOZ膜sh的催化,光解率可达80.1%。采用聚合凝胶法制备稳定的TIOZ溶胶,并在zrOZ陶瓷载体上进行浸涂一干燥一焙烧等处理,研究制得了陶瓷基纳米肠0:膜。针对载体膜,首先实验研究了不同条件对Ti02溶胶一凝胶过程的影响,得出了制备稳定溶胶的最佳工艺条件;采用sEM、气体泡压法等实验手段,对陶瓷基TIOZ膜制备过程进行了跟踪,讨论了载体孔径大小及表面平整度、下0:溶胶条件、制膜工艺过程(浸涂、干燥、焙烧等)条件对Ti02膜成膜质量的影响。结果表明:将市售的Zro:多孔素烧陶瓷膜经15%的偏硅酸钠水溶液浸泡、热处理后,再经过仔细打磨作为载体使用,可在其上形成较完整的陶瓷基纳米Tio:膜。浸涂用溶胶条件为m(乙醉加(。酸丁.)二30~40、m体加(。丁哟二2一3时,制备出的Tio:膜孔径小且孔径分布狭窄。在浸涂溶胶中加入DMF可有效防止TIOZ凝胶膜在干燥过程中的开裂现象。载体经涂膜后于室温下干燥两天,然后严格控制升温速率,将干凝胶膜焙烧至500℃,即得到锐钦矿型的TIOZ陶瓷膜。重复浸涂一干燥一焙烧工艺过程,经四次涂膜后制得的陶瓷基纳米五02膜的平均孔径0.12 pm,孔径分布狭窄。同时,实验初步探讨了溶液pH值对陶瓷基石。2膜光催化降解苯酚溶液的影响。苯酚溶液pH值在3附近有较好的光催化效果。陶瓷基TIOZ光催化降解苯酚溶液及焦化废水的可行性及催化反应机理还有待进一步研究。……   
[关键词]:纳米TiO_2;光催化;苯酚水溶液;陶瓷膜
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:重庆大学2004年