改性凹凸棒粘土的制备及其光催化降解盐酸四环素废水的研究

摘要

抗生素废水属于难处理的工业废水，如果大量进入水环境系统，将会严重影响人体健康和生态环境。凹凸棒粘土是一种强吸附性、易获得的矿物粘土，在吸附处理抗生素废水方面具有显著优势。而TiO2、ZnO等光催化剂在处理抗生素废水方面也取得了一定的成效，展现了半导体光催化技术在处理抗生素废水的巨大潜能。本文旨在通过对凹凸棒粘土的改性，制备出更具降解效率的新型光催化材料，所制备的材料有 Ti-ATPs、Zn/Ti-ATPs、Ni/Ti-ATPs等，其中以Zn/Ti-ATPs光催化剂性能最优。制备的新材料既能发挥凹凸棒粘土的强吸附性，又能结合复合光催化剂提高光能的利用效率，使降解盐酸四环素的能力大大提高。此外，材料的制备过程均采取浸渍-煅烧法，操作简便易于实现，为抗生素废水的处理研究提供新的思路。
　　本文采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、紫外-可见漫反射吸收光谱（UV-vis）等方法对改性凹凸棒粘土的结构、形貌和组成进行表征，并以盐酸四环素为目标污染物，考察改性材料在可见光下的降解效果。
　　（1）制备Ti-ATPs，改性后的凹凸棒粘土协同吸附与光催化过程，具备了良好的降解能力。UV-vis结果表明经过Ti改性后的ATPs光催化剂光谱图在紫外光波段吸光度有一定的提高，在可见光波段虽有提高但不太明显。以盐酸四环素为目标污染物进行光催化降解实验，研究表明：在Ti含量占ATPs的40％，450℃煅烧温度下得到的复合材料光催化降解盐酸四环素效果最好，在300W氙灯光源（250nm~800nm）下反应120min对盐酸四环素的降解率达75.8％。
　　（2）用Zn和Ti同时对凹凸棒粘土进行改性，制备Zn/Ti-ATPs。改性后的凹凸棒粘土协同吸附与两种半导体复合光催化过程，相比之前具备了更优的降解能力。UV-Vis光谱结果表明Zn/Ti-ATPs光催化剂的光谱图出现了明显红移现象，在近紫外光区和可见光区内吸光度均有明显的提升。以盐酸四环素为目标污染物进行光催化降解实验，实验结构表明：在Zn/Ti金属摩尔配比为3:1，400℃煅烧温度下得到的复合材料光催化性能最好；在盐酸四环素溶液pH为7，溶液初始浓度为20mg/L以及催化剂的投加量为0.4g/L时，在可见光照射120min后，新材料Zn/Ti-ATPs对盐酸四环素的降解率达到最高，为94.64％。Zn/Ti-ATPs复合材料相比于Ti-ATPs和Zn-ATPs均有较高的降解性能。另外，材料稳定性较好，重复三次使用时降解率还可以达到77.42％。
　　（3）用同种方法制备的Ni/Ti-ATPs复合材料不具备光催化活性。以盐酸四环素为目标污染物进行光催化降解实验，发现在不同煅烧温度和金属比例条件下制备的Ni/Ti-ATPs均不具备光催化能力。这是由于没有最合适的温度能使TiO2和NiO同时处于光催化性能最好的晶型状态，在其余温度下两种氧化物互相占据光催化位点，影响光催化反应的进行，使得Ni/Ti-ATPs不具光催化活性，降解效率也仅仅停留在改性前粘土的吸附水平。
　　本文对凹凸棒粘土进行系列改性实验后，制备的Zn/Ti-ATPs对盐酸四环素废水有很高的降解效率。材料光催化活性高、性能稳定、回收方便，对水处理领域的研究具有显著的理论意义。

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第一章 绪论

1.1 抗生素及其危害

1.2 抗生素废水的处理方法

1.3 凹凸棒粘土在水处理中的应用

1.4 光催化氧化技术

1.5 本论文的研究目的与研究内容

第二章 Ti-ATPs的制备及光催化性能

2.1 引言

2.2 Ti-ATPs的制备实验

2.3 Ti-ATPs的表征与结果分析

2.4 Ti-ATPs的光催化降解实验

2.5本章小结

第三章 Zn/Ti-ATPs的制备及光催化性能

3.1 引言

3.2 Zn-ATPs和Zn/Ti-ATPs的制备实验

3.3 Zn/Ti-ATPs的表征与结果分析

3.4 Zn/Ti-ATPs的光催化降解实验

3.5本章小结

第四章 Ni/Ti-ATPs的制备及光催化性能

4.1 引言

4.2 Ni/Ti-ATPs的制备实验

4.3 Ni/Ti-ATPs的表征与结果分析

4.4 Ni-ATPs和Ni/Ti-ATPs的光催化降解实验

4.5本章小结

结论与建议

1、研究结论

2、进一步亟待研究的问题建议

参考文献

攻读学位期间取得研究成果

致谢