负载纳米TiO2的污泥基催化剂的制备及其催化降解性能的研究

摘要

污水处理厂中剩余污泥产量的不断增加及对环境造成的污染问题日益受到人们的关注。以污泥为原料制备污泥基催化剂是污泥资源化利用的重要方式之一。本文以污水处理厂的剩余污泥为原料，以纳米二氧化钛（TiO2-NPs）为补充光催化材料，ZnCl2为活化剂，采用溶胶凝胶-化学活化法制备出两种负载纳米二氧化钛的污泥基催化剂。本实验借助比表面积与孔体积测试（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）及X射线衍射分析（XRD）对污泥基催化剂的特征进行了表征分析；以头孢拉定（Cefradine）为目标污染物，研究了所制备的污泥基催化剂的光解性能，并讨论了其催化机理。本研究得到的主要结论如下： （1）通过正交实验分析可知，制备负载纳米TiO2的污泥基催化剂的最优实验条件为：TiO2与污泥质量比为1:40，ZnCl2 的浓度为4.5 mol/L，固液比为1:3，热解温度为550 ℃，热解时间为45 min。 （2）通过正交实验分析研究了在制备负载纳米TiO2的污泥基催化剂时各影响因素对于头孢拉定催化降解效果的影响，通过第III类平方和得出具体的影响大小为：ZnCl2的浓度>TiO2与污泥质量比>热解温度>热解时间>固液比。 （3）通过对制备负载纳米TiO2的污泥基催化剂进行了表征分析，一步法制备的污泥基催化剂（SAC-TiO2）的比表面积高达381.042 m2/g，两步法制备的污泥基催化剂（SAC/TiO2）的比表面积为365.958 m2/g；两种污泥基催化剂的平均孔径都小于2 nm，说明其以微孔和中孔为主；通过SEM及FT-IR看出SAC-TiO2呈颗粒状分布，孔隙较多，有多种官能团；XRD分析得出负载的TiO2以锐钛矿为主，活性较高。 （4）SAC-TiO2、SAC/TiO2、GAC-TiO2、TiO2-NPs和空白对照组对头孢拉定进行光催化降解实验，其中空白对照组的降解率不足10%， GAC-TiO2的降解率仅能达到20%左右， TiO2-NPs对于头孢拉定的降解率为48.69%；污泥制备的SAC-TiO2和SAC/TiO2对头孢拉定的降解率分别为98.79%和79.80%。SAC-TiO2比SAC/TiO2的降解率高19%，结果说明一步法制备的SAC-TiO2具有较高的光催化性能。 （5）对降解头孢拉定实验进行了优化实验，确定了SAC-TiO2降解头孢拉定中各个因素的最优条件：初始浓度为20 mg/L，SAC-TiO2的投加量为1.5 g/L，pH=7.55，并且NH4+和PO4-对于头孢拉定降解率也有一定影响，其中PO4-可以提高头孢拉定的降解速率。 （6）SAC-TiO2、SAC/TiO2和GAC-TiO2进行了吸附等温线和动力学分析，结果表明，催化剂对于头孢拉定的降解符合Langmuir吸附等温线和准二级动力学模型，由此也说明污泥基催化剂对头孢拉定的降解是物理吸附和化学吸附的复合行为。 （7）对TiO2-NPs、SAC-TiO2进行光催化机理分析可知，TiO2-NPs上的电子（e-）会以C为导体而移动至SAC上，减少其在TiO2-NPs内部、表面的空穴复合率，增大光催化活性。此外，本文通过对SAC-TiO2降解头孢拉定的降解产物进行了质谱测定，推断了其对头孢拉定的降解途径。 综上结果表明，利用污泥制备催化剂不仅可以实现对污泥的资源化利用，还可以使吸附与光催化发挥协同作用，为光催化降解污染物也提供了一种新的复合光催化材料。

目录

声明

符号说明

1前言

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

1.4技术路线

1.5研究创新

2材料与方法

2.1实验材料

2.2实验方法

3结果与分析

3.1负载TiO2的污泥基催化剂的正交实验结果

3.2负载TiO2的污泥基催化剂的表征结果

3.3复合材料对头孢拉定的催化性能研究

3.4 SAC-TiO2降解头孢拉定的最优条件

3.5吸附热力学研究

3.6吸附动力学研究

4讨论

4.1污泥基催化剂的表征分析

4.2复合材料降解头孢拉定的实验分析

4.3吸附等温线及动力学分析

4.4机理分析

4.5问题与展望

5结论

参考文献

致谢

8攻读学位期间发表论文情况