TiO光催化剂的制备及光催化降解水体甲醛的研究

摘要

光催化技术作为一种高级氧化处理技术，由于具有制备条件温和、活性高、安全无毒害作用、化学性质稳定、难溶于酸和碱、成本较低等优点，拥有良好的应用前景，成为人们研究的热点，并在水污染治理和污染修复方面进行了大量的研究。在大于其禁带宽度的光照射下，TiO2能够发生电子和空穴的分离，光生空穴的强氧化能力使其可以氧化大部分有机物，并能将一些有毒的物质转化为无毒形式，所以在环境治理领域有重要的意义。当前，人们利用纳米TiO2光催化降解有机污染物，特别是有机废水的研究日益增多。甲醛是公认的强毒性物质。对人和温血动物的毒性很强，有致畸、致癌的毒害作用。排放水体的甲醛是危害较大的环境污染物，主要来源于工业废水。 本研究以甲醛作为目标污染物，利用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2光催化剂和掺杂金属离子的纳米TiO2光催化剂进行光催化氧化还原反应来降解水中甲醛作为研究的主要内容，并通过X射线衍射(XRD)分析手段对催化剂进行了表征，通过自行设计的光催化反应器，详细探讨了影响TiO2光催化剂降解甲醛的多种因素和可能的内在原因，为优化TiO2光催化剂和深入的光催化机理研究提供了有意义的信息，为TiO2光催化的进一步应用打下了一定的基础，具体研究内容和结果如下： (1)分别以乙酰丙酮和冰乙酸作为抑制剂，利用溶胶-凝胶法制备非掺杂TiO2光催化剂及掺杂金属离子的TiO2光催化剂，实验结果表明，乙酰丙酮作为抑制剂，焙烧温度控制在600℃，得到的纳米TiO2光催化剂最好，根据X射线衍射分析结果，TiO2光催化剂主要成分为金红石晶型，并有少量的锐钛矿晶型。 (2)利用TiO2光催化剂进行对模拟含甲醛污水光催化降解甲醛研究。对影响TiO2光催化效率的因素：反应液pH、甲醛初始浓度、催化剂颗粒粒径及通气、搅拌、催化剂晶型、催化剂粒径等进行了考察。在380nm紫外光光照射下进行光催化反应，发现，在pH=7，甲醛初始浓度为20mg/L，催化剂粒径为180目，通气并搅拌，TiO2锐钛矿与金红石品型比为1：1，5g/L的TiO2催化剂投加量为条件下进行光催化反应，最佳降解甲醛的效果为降解率96.72％。同时，TiO2催化剂有较好的回收利用性能。 (3)利用掺杂有Cu2+、Ni2+、Pb2+、2r12+、Fe3+的TiO2光催化剂对模拟含甲醛污水光催化降解甲醛研究，实验结果表明，Pb2+离子掺杂对TiO2光催化降解甲醛有明显的促进作用，掺Pb2+离子物质的量分数为0.5％时，TiO2光催化活性最佳，同时，向反应体系添加低浓度Fe2+(1.5mg/L)，有助于光催化氧化和还原反应的同时进行，提高光催化活性，对甲醛的降解率可提高至99,23％。 (4)对TiO2光催化降解甲醛的机理进行初步的探讨和分析，根据反应过程与结果，推测甲醛降解的可能反应过程。 以上结果使设计和构建高活性的催化剂成为可能，为寻求可实用化的降解甲醛的光催化剂提供了一定的理论基础及技术参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第一章二氧化钛的结构、性质及制备与应用概况

1.1二氧化钛的结构

1.2二氧化钛的性质

1.3二氧化钛的应用

1.4二氧化钛光催化材料的制备方法

1.5二氧化钛光催化剂的研究进展

1.6催化剂晶相结构对光催化的影响

1.7光催化反应器的设计研究

1.8 TiO2光催化降解技术的前景展望

第二章甲醛的危害及处理方法与研究进展

2.1甲醛的性质

2.2甲醛的主要来源

2.3甲醛对人体的危害

2.4甲醛的检测方法

2.5废水中甲醛的处理方法与研究进展

第三章本文研究目的、意义和内容

3.1研究目的和意义

3.2研究内容

3.3本文创新点

第四章TiO2光催化剂的制备及表征

4.1溶胶-凝胶法的基本原理

4.2实验试剂与仪器、实验装置、制备工艺流程

4.3TiO2光催化剂制备过程

4.4 TiO2光催化剂的表征

第五章TiO2光催化剂降解水体中甲醛性能的实验研究

5.1实验部分

5.2实验结果与讨论

5.3本章小结

第六章金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂的制备及降解甲醛的实验研究

6.1实验药品及仪器与二氧化钛光催化剂的制备

6.2不同金属离子掺杂对二氧化钛催化活性的影响

6.3掺杂Pb2+的二氧化钛光催化活性评价

6.4 Fe2+对光催化脱除甲醛的影响

6.5本章小结

第七章二氧化钛光催化降解甲醛机理初探

7.1表面空穴及电子的光催化降解作用

7.2活性OH·自由基的光催化降解作用

7.3甲醛降解结果及机理推测

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢