微波改性MWNTs/TiO2复合材料去除水中三氯苯的研究

摘要

本论文对微波辐照干化制备的MWNTs/TiO2复合光催化剂及微波改性MWNTs后制备的复合光催化剂(未经微波辐照)光催化降解水中的1，2，3-三氯苯进行了研究。分别考察了不同的改性工艺条件对复合光催化剂光催化活性的影响，确定各自催化活性最高的改性方法，并将其用于三氯苯的光催化降解。
　　在微波辐照干化的条件下用溶胶-凝胶法制备了MWNTs/TiO2复合光催化剂。对该复合材料的表征表明：随着微波功率逐渐增大至400W，TiO2晶体包覆的MWNTs管径会逐渐变小，且在400W时制备的MWNTs/TiO2复合材料分散性较好。进一步增大微波功率导致复合材料的管径增大，分散性降低。研究了不同微波辐照条件下制备的MWNTs/TiO2复合光催化剂对1，2，3-三氯苯的光催化降解效果，结果显示：该复合光催化剂对1，2，3-三氯苯的光降解遵循一级反应动力学；在微波功率为400W、辐照时间为5min情况下制备的复合光催化剂对1，2，3-三氯苯的降解速率最快，其反应常数为0.0237min-1，该值比非微波加热于化的同样复合材料的反应速率常数值提高了约52%。
　　通过直接在大气中和载入N2情况下利用微波辐照对MWNTs进行改性后制备复合光催化剂，考察其对1，2，3-三氯苯的光催化降解效果的影响，以确定本课题中微波对碳纳米管的改性方法。结果表明，直接在大气中微波改性MWNTs后制备的复合光催化剂催化活性不如载N2改性后的效果，且对MWNTs刻蚀破坏严重，而故确定将在N2气氛下对MWNTs进行微波辐照作为本论文的改性方法。在载入氮气的情况下研究了3种不同工艺条件下改性碳纳米管后制备的复合材料对1，2，3-三氯苯的光催化降解效果影响，确定微波改性MWNTs的最优工艺条件为：微波功率400W、微波辐照时间8min、氮气流量0.4L/min。通过对微波改性前后碳纳米管的FTIR表征可以发现，改性前后的碳纳米管表面均存在羟基(-OH)、碳碳双键(-C=C)、羧基(-COOH)等官能团，而改性后的碳纳米管表面引入了胺类(N-H)碱性官能团。通过对改性前后的碳纳米管进行Boehm滴定，结果证明经过微波改性后，碳纳米管表面的酸性官能团减少，羧基减少，碱性官能团增加。
　　分别将两种不同改性方法中最优改性条件下制备的复合光催化剂应用于三种典型氯苯类有机物的光催化降解，结果表明，改性后的降解率和降解速率均有了明显提高，降解速率大小顺序均为：1，2，3-三氯苯>1，2，4-三氯苯>1，3，5-三氯苯。微波改性制备的MWNTs/TiO2复合光催化剂和微波改性MWNTs后制备的复合光催化剂对三氯苯降解速率常数与未改性的相比分别提高了52～65%和78～84%，且第二种方法改性的复合材料光催化活性高于第一种方法。
　　总之，通过微波辐照制备的MWNTs/TiO2复合光催化剂和微波改性MWNTs后制备的复合光催化剂与未改性的复合材料的光催化活性相比均有较大提高，其对于水中氯苯类有机物的处理具有潜在的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 氯苯类有机物性质及其污染现状

1.1.1 氯苯类有机物的性质

1.1.2 氯苯类有机物的应用及污染现状

1.1.3 氯苯类有机物的危害

1.1.4 氯苯类有机物的治理方法

1.2 MWNTs/TiO2复合材料概述

1.2.1 碳纳米管

1.2.2 纳米TiO2

1.2.3 MWNTs/TiO2复合材料

1.3 光催化理论

1.3.1 光催化降解基本理论

1.3.2 光催化降解主要反映类型

1.3.3 纳米TiO2光催化原理

1.3.4 MWNTs/TiO2的光催化协同作用

1.4 微波及其应用

1.4.1 微波的基本性质

1.4.2 微波辐射理论

1.4.3 微波技术在环境污染治理中的应用

1.5 课题研究内容及意义

1.5.1 课题研究背景及意义

1.5.2 课题研究内容

1.5.3 创新点

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料与试剂

2.2 实验仪器与装置

2.3 实验方法

2.3.1 微波改性MWNTs/TiO2复合材料的制备

2.3.2 三氯苯光降解实验

2.3.3 表征方法

2.3.4 Boehm滴定

第3章 微波改性复合材料去除水中三氯苯

3.1 引言

3.2 暗室吸附及空白实验

3.2.1 复合材料暗室吸附对1，2，3-三氯苯的浓度影响

3.2.21，2，3-三氯苯的紫外光空白实验

3.3 微波改性复合材料对催化剂活性的影响

3.3.1 微波功率的影响

3.3.2 微波辐照时间的影响

3.4 微波改性复合光催化剂对三氯苯的光降解

3.5 复合光催化剂表征结果及机理分析

3.5.1 碳纳米管及其复合材料TEM表征

3.5.2 复合光催化剂XRD表征

3.5.3 复合光催化剂SEM表征

3.5.4 复合光催化剂的BET表征

3.6 本章小结

第4章 优化微波改性MWNTs制备复合材料

4.1 引言

4.2 直接微波改性对催化剂活性的影响

4.2.1 微波功率的影响

4.2.2 辐照时间的影响

4.3 载氮气微波改性对催化剂活性的影响

4.3.1 微波功率的影响

4.3.2 辐照时间的影响

4.3.3 氮气流量的影响

4.4 正交实验

4.5 微波改性碳纳米管制备的复合材料对三氯苯的光降解

4.6 复合光催化剂表征结果及机理分析

4.7 本章小结

结论与建议

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)