氮掺杂TiO2/甲壳素复合可见光响应光催化剂的制备及应用研究

摘要

固体石蜡(n=12～36)作为石油炼制过程中的副产物，是多种高碳烷烃的混合物，性质稳定、来源广、价格低廉，广泛应用于食品、医药、皮革、包装纸表面涂层等领域。为了进一步深加工制备精细化学品，目前主要通过高温高压裂解首先对其进行裂解制取短链烷烃，设备要求及能耗高、裂解产物复杂。
　　为实现石蜡制备低碳烷烃及其衍生物工艺绿色化。本文采用光催化技术对正十二烷进行降解，初步研究固-水-油三相反应体系下影响光催化反应速率的反应条件。选择甲壳素为载体，溶胶-减压蒸馏-凝胶法制备得到掺氮可见光催化剂，以甲基橙为待降解物来检验催化剂的可见光催化活性，再以正十二烷作为待降解物来研究光催化降解率及产物，为光催化降解石蜡奠定基础。通过实验研究得出如下结果:
　　(1)溶胶-减压蒸馏-凝胶法制备得到TiO2、N-TiO2、TiO2/甲壳素和N-TiO2/甲壳素四种催化剂，并通过X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、固体紫外漫反射仪、新型高分辨场发射扫描电子显微镜、热重分析仪来对其进行表征。对比分析表明:尿素和甲壳素在催化剂的性质方面起到很大的作用，甲壳素的分散作用使得N-TiO2/甲壳素催化剂在晶型方面粒径更小;键构方面尿素和甲壳素的共同作用使得TiO2中的-TiO2-和Ti-O-Ti键被破环，形成更多的氧空穴;形态方面，甲壳素为不完全灰化，催化剂呈块状结构;比表面积的增大提高了催化剂的吸附能力;催化剂的响应光谱延长到可见光区，能够利用更宽波长范围的光。
　　(2)以甲基橙为待降解物，单因素法研究了催化剂制备过程中的钛酸丁酯与甲壳素质量比、煅烧温度、煅烧时间三个因素对催化剂活性的影响。通过正交实验确定了三种因素对催化剂活性影响大小:煅烧时间＞Ti/Chitin质量比＞煅烧温度，并得出N-TiO2/甲壳素催化剂的最优制备条件:Ti/Chitin质量比为8∶2、煅烧温度为400℃和煅烧时间为2h。
　　(3)以甲基橙为待降解物，通过单因素实验和正交实验考察了反应体系pH、H2O2加入量、空气流量、催化剂用量对于光催化反应的影响，确定了光催化降解甲基橙的最佳反应条件:反应体系pH为3、H2O2加入量为5 ml、空气流量为250 L·h-1、催化剂用量为50 mg。在此最优条件下，甲基橙的残留率η为2％。
　　(4)以正十二烷为待降解物，单因素法分析了空气流量、H2O2加入量、pH、水的加入量对光催化降解过程的影响。通过正交实验考察了H2O2加入量、pH、水的加入量三个因素对降解率的影响大小:H2O2加入量＞反应体系pH＞水的加入量。并得出各因素的最优水平为:反应体系pH为4、水的加入量为20 ml、H2O2加入量为4ml。在最优条件下，正十二烷的降解率W为43％。
　　(5)通过对光催化反应的气体产物和油相产物的分析得到:光催化降解正十二烷的产物主要有CO2、5-癸酮、2-十二酮、十二酸等。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 前言

1．1 石蜡降解的研究进展

1．1．1 石蜡概述

1．1．2 裂解技术在石蜡降解方面的研究进展

1．1．3 生物技术在石蜡降解方面的研究进展

1．2 光催化技术的研究进展

1．2．1 光催化技术发展现状

1．2．2 光催化反应机理

1．2．3 TiO2光催化剂的发展

1．3 光催化剂的制备方法

1．3．1 物理气相法

1．3．2 化学气相法

1．3．3 溶胶-凝胶法

1．3．4 水／溶剂热合成法

1．4 影响光催化效率的因素

1．5 甲壳素在催化领域的研究现状

1．5．1 甲壳素概述

1．5．2 甲壳素及其衍生物在催化领域的应用现状

1．6 课题研究的背景、意义及主要内容

1．6．1 课题研究的背景、意义

1．6．2 课题研究的主要内容

第二章 光催化剂的制备及表征

2．1 实验材料与设备

2．2 光催化剂的制备

2．3 光催化剂的表征

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 X射线衍射(XRD)

2．4．2 傅里叶红外光谱(FTIR)

2．4．3 N2吸附-脱附(BET)

2．4．4 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．5 紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)

2．4．6 热重分析(TG)

2．5 本章小结

第三章 N-TiO2／甲壳素光催化剂对甲基橙光催化活性研究

3．1 光催化活性实验及分析方法

3．1．1 光催化活性实验方法

3．1．2 甲基橙最大吸收波长的测定

3．1．3 甲基橙溶液标准曲线的测定

3．1．4 甲基橙残留率的计算

3．2 光催化剂活性的影响因素分析

3．2．1 钛酸四丁酯与甲壳素不同质量比对光催化剂活性的影响

3．2．2 煅烧温度对光催化剂活性的影响

3．2．3 煅烧时间对光催化剂活性的影响

3．2．4 正交实验结果分析

3．4 光催化反应条件的最优化

3．4．1 体系初始pH对光催化活性的影响

3．4．2 H2O5的加入量对光催化活性的影响

3．4．3 空气流量对光催化活性的影响

3．4．4 催化剂加入量对光催化剂活性的影响

3．5 正交实验结果分析

3．6 四种光催化剂催化活性对比

3．7 本章小结

第四章 N-TiO2／甲壳素对正十二烷的催化降解活性研究

4．1 实验材料与设备

4．2 实验及分析方法

4．2．1 光催化实验方法

4．2．2 内标物标准曲线计算正十二烷的降解率

4．2．3 产物的定性分析方法

4．3 光催化降解正十二烷最优条件的确定

4．3．1 空气流量对光催化过程的影响

4．3．2 水的加入量对光催化过程的影响

4．3．3 H2O2加入量对光催化过程的影响

4．3．4 水相pH对光催化过程的影响

4．3．5 正交实验结果分析

4．4 光催化产物分析结果

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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