TiO-SiO/累托石纳米复合材料的制备及对废水净化研究

摘要

光催化氧化技术是一种先进的水处理技术，具有处理效率高、能耗低、工艺设备简单、操作条件易控制、无二次污染等优点，因而是一种很有前途的水处理技术。但以TiO2为典型代表的光催化剂在传统方法上的应用上存在量子效率低以及回收困难等缺点而限制了其工业化推广应用，因此国内外学者积极展开了对这方面的系统研究，其中包括TiO2催化剂的表面修饰、固载、重金属沉积、复合半导体、掺杂稀土元素等技术。 针对TiO2光催化剂在使用中存在的上述缺点，本课题研究了块状TiO2-SiO2/累托石纳米复合光催化材料的制备工艺条件及其光催化降解有机染料亚甲基蓝、吸附铜离子的一般规律，以期进一步充实光催化剂的负载改性技术及其在废水处理方面的应用研究。 本研究利用溶胶-凝胶法，以SiO2为修饰物、累托石为载体，首次制备出了块状TiO2-SiO2/累托石纳米复合光催化材料，并研究了累托石矿浆浓度、钛土比(Ti/R)、硅钛比、pH值、复合反应温度、煅烧温度等不同因素对产物的光催化活性的影响及初步机理所在。通过正交实验确定了四个主要因素影响产物光催化性能的主次顺序为：煅烧温度＞Ti/R＞复合反应温度＞煅烧时间。其最佳制备工艺条件为：煅烧温度600℃，Ti/R=10mmol/g，复合反应温度60℃，煅烧时间2h。 本研究使用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外光谱(IR)、比表面积测定(BET法)等手段对制备的样品进行了表征，来分析材料的形貌、界面等微观特性。测试结果表明：复合材料的结晶程度不高，但其中明显存在锐钛矿型TiO2，其颗粒通过Ti-O-Si键固定在累托石表面，粒度分布较均匀，平均粒径在25-30nm之间，而累托石的结构已明显改变，样品的比表面积比原料累托石和纯TiO2都增大很多，这些都是材料光催化活性增强的主要原因。 为了评价制备的复合光催化材料的光催化性能，本研究以紫外灯作为光源，在自制的模拟反应装置中用其对模拟污染物亚甲基蓝进行了光催化降解试验，并进一步探讨了催化剂用量、反应时间、污染物初始浓度、pH值、光照距离、重复使用等不同条件对材料光催化性能的影响规律及初步机理。试验结果表明：对于初始浓度为8mg/L的亚甲基蓝溶液，当催化剂用量为5g/L时，紫外光下降解3h，其脱色率可达90％以上；碱性条件有利于反应进行，光照距离为20cm时降解效果最好；重复使用4次后材料对亚甲基蓝仍然具有70％以上脱色效果。 本课题还进行了制备的复合材料对模拟含铜废水的吸附试验。通过对单因素试验结果的研究分析，得到的复合材料对Cu2+的最佳吸附条件为：pH值8左右，材料用量18g/L，溶液初试浓度5mg/L，搅拌15min，室温25℃。其去除率可达到92.5％。

目录

文摘

英文文摘

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第1章引言

1.1光催化技术概述

1.1.1半导体光催化的意义

1.1.2光催化剂和光催化氧化基本机理

1.1.3负载TiO2光催化剂的制备方法

1.1.4制备TiO2光催化剂所用载体

1.1.5光催化剂的改性

1.1.6 TiO2光催化技术在废水处理中的应用

1.1.7光催化反应器

1.2累托石简介

1.2.1累托石结构及性质

1.2.2累托石的改性及其在水处理中的应用研究

1.2.3累托石在废水处理中的应用前景

1.3课题研究的目的及意义

1.4课题研究的来源、目标和创新点

第2章研究内容和研究方法

2.1研究内容

2.2试剂与仪器

2.2.1主要试剂及其介绍

2.2.2实验仪器

2.3光催化模拟反应装置

2.4表征分析方法

第3章块状复合光催化材料的制备及表征

3.1制备实验方案

3.1.1光催化剂制备过程影响因素分析

3.1.2制备实验步骤过程

3.1.3对反应体系前驱体配比及混合溶胶制备的说明

3.1.4实验注意事项

3.2不同制备条件对复合材料光催化活性的影响

3.2.1评价样品光催化活性的方法

3.2.2累托石悬浊液浓度的影响

3.2.3 Ti土比的影响

3.2.4 Si/Ti(摩尔比)的影响

3.2.5混合溶胶pH值的影响

3.2.6复合反应温度的影响

3.2.7煅烧温度的影响

3.3复合材料制备正交实验

3.3.1正交因素水平和实验方案的确定

3.3.2结果与讨论

3.4复合材料的表征分析

3.4.1 X射线衍射图谱分析

3.4.2透射电镜分析

3.4.3红外光谱分析

3.4.4比表面积测定

3.5小结

第4章复合光催化剂对亚甲基蓝的光催化降解研究

4.1亚甲基蓝简介

4.2试验所用试剂、仪器与装置

4.3试验目的与方法

4.3.1试验目的

4.3.2亚甲基蓝浓度的测定

4.3.3光催化降解试验方法

4.4紫外光催化降解亚甲基蓝溶液各影响因素研究

4.4.1光催化剂用量的影响

4.4.2反应时间的影响

4.4.3亚甲基蓝溶液初始浓度的影响

4.4.4溶液初始pH值的影响

4.4.5光照距离的影响

4.5光催化剂的回收利用研究

4.6小结

第5章复合材料对Cu2+的吸附性能研究

5.1铜对环境的危害及其污染治理概述

5.1.1铜对人体及环境的危害

5.1.2铜污染的主要来源及其治理方法

5.2试验所用试剂和仪器

5.3试验目的与方法

5.3.1试验目的

5.3.2 Cu2+浓度的测定

5.3.3模拟废水的配制及处理方法

5.4复合材料处理Cu2+废水的影响因素研究

5.4.1复合材料用量的影响

5.4.2吸附作用时间的影响

5.4.3 pH值的影响

5.4.4温度的影响

5.4.5溶液初始浓度的影响

5.4.6验证试验

5.5小结

第6章结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

致谢

附录一溶液中铜离子含量的测定——二乙基暗无天日硫代氨基甲酸钠分光光度法

附录二研究生期间论文发表情况