CeO-TiO负载型光催化剂的制备和微波场助光催化降解染料废水的研究

摘要

光催化氧化法是以n型半导体的能带理论为基础，以n型半导体作敏化剂的一种光敏氧化法。在众多光催化剂中，TiO2以其无毒价廉，催化活性高，氧化能力强，稳定性好而最为常用。传统光催化悬浮体系存在反应后TiO2粉末难以回收及产生二次污染等问题，而负载型光催化剂解决了上述的问题，在废水处理中显示了良好的应用前景，但它仍存在光催化效率低、负载牢固性较差等不足。物理场助光催化氧化技术是一种新的水处理技术，实验证明微波和光催化联用可以明显提高光催化效果。本论文通过稀土元素Ce掺杂对TiO2进行改性，并采用微波场助光催化氧化技术，以提高光催化效果。溶胶－凝胶法是制备负载型TiO2光催化剂的主要方法之一，本论文改进了溶胶的制备工艺，制备了稳定时间长达76天，涂覆效果好的溶胶：选择无水乙醇作溶剂，控制C2H5OH/Ti(Obu)4的摩尔比为17；控制水与钛酸正丁酯的摩尔比为2.7；以CH3COOH作络合剂和酸催化剂；加入一定量的表面活性剂，可以使薄膜的比表面积增大，从而使催化剂的活性增大；加入适当的稳定剂，既能保证溶胶长时间不变成凝胶，又能保证多次涂膜煅烧后负载牢固。制备了TiO2和CeO2-TiO2粉末催化剂，采用XRD、SEM、TGA、FTIR等手段对其进行了表征，并通过酸性媒介红B的微波场助光催化反应考察了其光催化活性。XRD分析说明，Ce的掺杂抑制了锐钛矿向金红石的转变；由SEM图可知，颗粒尺寸在20～30nm之间，试样呈多孔状；TGA分析表明，TiO2和0.0003CeO2-TiO2干凝胶的失重过程基本上是一致的；FTIR试验表明，CeO2-TiO2和纯TiO2均具有较高的亲水性；微波场助光催化实验表明，Ce的掺杂有利于TiO2光催化活性的提高。以玻片和γ-Al2O3小球为载体，制备了负载型CeO2-TiO2复合光催化剂，其光催化活性高于未掺杂的催化剂，以γ-Al2O3小球为载体的催化剂光降解效率优于以玻片为载体的催化剂。Ce的最佳掺杂量为0.0003（摩尔比），最佳煅烧温度为400℃。对于以玻片为载体的催化剂来说，最佳涂覆次数为2次，而对于以γ-Al2O3小球为载体的催化剂来说，最佳涂覆次数为3次。比较了在UV、MW、MW+UV、MW+UV+0.0003CeO2-TiO2等四种不同反应体系中，酸性媒介红B的脱色率。结果表明，在MW+UV+0.0003CeO2-TiO2体系中酸性媒介红B的脱色率远高于其它几个反应体系，由此说明，微波场与紫外光之间存在着耦合作用，微波场可提高光催化活性。溶液的初始浓度（C0）对表观速率常数k(min-1)和溶液的脱色率有较大的影响；溶液的Ph和外加H2O2均对溶液的脱色率有较大的影响，最佳Ph值为2，H2O2的最佳加入量为900mg/l；比较了3种染料的微波辅助光催化脱色率，结果表明，染料本身的分子结构与脱色率的差异有一定的关系；两种负载型光催化剂与载体负载牢固，长时间使用活性没有明显降低；微波光催化耦合作用下酸性媒介红B水溶液的CODcr值的变化结果表明：加入一定量的H2O2，反应150min后，CODcr的去除率比未加H2O2时提高了约24﹪。