非金属掺杂改性TiO光催化降解氯代苯酚的研究

摘要

光催化氧化是降解诸如氯代苯酚类(CPs)等有毒难降解污染物的有效方法;提高光催化剂的活性并加强其可见光吸收,或者光催化氧化与其它污染治理技术联合,是提高光催化效率,并使光催化技术走向实际应用的有效措施.本研究分别以钛酸丁酯、三乙胺、三氟乙酸和巯基乙酸为Ti、N、F和S源,采用溶胶-凝胶法制备了非金属掺杂改性TiO<,2>光催化剂.借助XRD、BET、XPS、PL、UV-VIS、DOSs等表征分析方法,并以2-氯苯酚(2-CP)的光催化降解为探针反应,重点研究了非金属掺杂对TiO<,2>的结构、物理化学性质、光吸收及光催化活性的影响.考察了改性TiO<,2>光催化降解2-CP的影响因素、建立了反应动力学模型,同时比较研究了多种CPs的光催化降解.利用MS鉴定2-CP、4-氯苯酚(4-CP)和2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)降解的中间产物,并给出了它们光催化降解的可能途径.讨论了光催化剂的结构、性质与其光催化活性之间的关系,初步揭示了非金属掺杂提高TiO<,2>光催化活性的机理.也讨论了CPs的结构、性质与CPs的降解效率之间的关系,揭示了CPs光催化降解的机理.最后,初步探讨了耦合光催化与生物处理4-CP.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1氯酚污染及其治理

1.1.1氯酚污染源

1.1.2氯酚废水处理技术

1.2半导体多相光催化水处理技术概述

1.2.1研究历程

1.2.2光催化技术在废水处理中的应用

1.3光催化基本原理

1.4光催化反应动力学

1.5光催化反应活性的影响因素

1.5.1催化剂

1.5.2催化剂的悬浮与固定以及光反应器

1.5.3光催化反应体系

1.6提高光催化反应活性的途径

1.6.1催化剂制备方法的改进

1.6.2催化剂的改性

1.6.3催化剂的固定化

1.6.4光反应器

1.6.5与其他水处理技术联合

1.7光催化水处理技术存在的问题及发展方向

1.8本论文课题的研究背景、内容及意义

1.8.1研究背景

1.8.2研究内容

1.8.3拟解决的关键问题

1.8.4研究方法

1.8.5本研究的意义

1.8.6本研究的主要创新之处

第二章实验方法与数据处理

2.1实验材料与试剂

2.2实验常用仪器设备

2.3本研究的方案与实验路线

2.4光催化剂的制备

2.5光催化剂的表征

2.5.1 XRD

2.5.2 BET

2.5.3 XPS

2.5.4 PL

2.5.5 UV-Vis

2.5.6电子态密度(DOSs)与能带结构分析

2.6改性TiO2光催化降解氯代苯酚的实验

2.7光催化与生物耦合处理氯代苯酚废水的实验

2.7.1耦合处理装置及流程

2.7.2耦合处理方式

2.8氯代酚废水处理效果评价

2.8.1氯酚浓度

2.8.2氯酚光催化降解中间产物

2.8.3 CODcr与BOD5

第三章氮掺杂TiO2的制备、表征及光催化活性

3.1实验

3.1.1氮掺杂TiO2的制备

3.1.2氮掺杂TiO2的表征及光催化活性

3.2实验结果

3.2.1晶相、平均晶粒尺寸及比表面积

3.2.2表面各物种化学态的XPS表征

3.2.3光生载流子分离与复合的PL表征

3.2.4 UV-VIS吸收光谱

3.2.5能级结构及电子态密度

3.2.6光催化活性

3.3讨论

33.1氮掺杂对晶型及晶粒尺寸的影响

3.3.2氮掺杂对能级结构及光吸收的影响

3.3.3氮掺杂对光生载流子分离转移的影响

3.4小结

第四章氟掺杂TiO2的制备、表征及光催化活性

4.1实验

4.1.1氟掺杂TiO2的制备

4.1.2氟掺杂TiO2的表征及光催化活性

4.2实验结果

4.2.1晶相、平均晶粒尺寸及比表面积

4.2.2表面各物种化学态的XPS表征

4.2.3光生载流子分离与复合的PL表征

4.2.4 UV-VIS吸收光谱

4.2.5能级结构及电子态密度

4.2.6光催化活性

4.3讨论

4.3.1氟掺杂对晶型及晶粒尺寸的影响

4.3.2氟掺杂对能级结构及光吸收的影响

4.3.3氟掺杂对光生载流子分离转移的影响

4.4小结

第五章硫掺杂TiO2的制备、表征及光催化活性

5.1实验

5.1.1硫掺杂TiO2的制备

5.1.2硫掺杂TiO2的表征及光催化活性

5.2实验结果

5.2.1晶相、平均晶粒尺寸及比表面积

5.2.2表面各物种化学态的XPS表征

5.2.3光生载流子分离与复合的PL表征

5.2.4 UV-VIS吸收光谱

5.2.5能级结构及电子态密度

5.2.6光催化活性

5.3讨论

5.3.1硫掺杂对晶型及晶粒尺寸的影响

5.3.2硫掺杂对能级结构及光吸收的影响

5.3.3硫掺杂对光生载流子分离转移的影响

5.4小结

第六章光催化降解氯代酚的动力学与机理

6.1实验

6.1.1实验材料与试剂

6.1.2改性TiO2对氯代酚的光催化降解

6.1.3分析测试

6.2实验结果分析

6.2.1光催化降解2-氯苯酚的影响因素

6.2.2光催化降解2-氯苯酚的动力学模型

6.2.3降解过程中Cl-、COD和BOD的变化

6.2.4不同结构氯代苯酚的光催化降解

6.2.5氯代苯酚光催化降解途径

6.3讨论

6.3.1氯代苯酚光催化降解与催化剂表面性质的相关性

6.3.2氯代酚光催化降解与其结构和性质的相关性

6.3.3氯代苯酚的光催化降解机理

6.4小结

第七章光催化与生物耦合处理初步研究简报

7.1实验

7.1.1主要试剂和材料

7.1.2耦合处理装置及流程

7.1.3分析方法

7.2结果与讨论

7.2.1对氯苯酚的生物降解性

7.2.2光催化处理4-氯苯酚废水

7.2.3光催化活性的稳定性

7.2.4光催化预处理后溶液的可生物降解性

7.2.5光催化与生物耦合处理4-氯苯酚废水

7.2.6光催化与生物处理的协同作用

7.3小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢