改性纳米二氧化钛光催化处理造纸废水的研究

摘要

造纸废水排放量大，成分复杂，处理过程难度较大。其中含有较多威胁人类健康的化学成分，如带苯环的酚类、烷类和酯类物质。近年来，环境污染形势日益严峻，国家对制浆造纸企业提出了更高的要求，废水排放指标更加严格，使得污水处理系统必须在现有基础上继续强化。光催化降解造纸废水是一条可行之路，光催化剂材料种类繁多，其中二氧化钛因廉价易得、污染性小、化学稳定性高等优点，成为半导体光催化剂的最佳选择。但是二氧化钛的带隙较宽(3.2eV)，对可见光的响应较低，仅利用太阳光中含量很少的紫外光，使其光降解效率较低。近年来对二氧化钛的掺杂改性成为了研究热点，二氧化钛改性后对可见光有一定程度的响应，并且可以提高光生电子和空穴的分离和捕获能力，弥补光生电子和空穴极易复合的缺陷，提高二氧化钛光催化效率。本文制备了铈(Ce)、氟(F)掺杂纳米二氧化钛光催化剂，并通过降解各种有机物考察其光催化性能，最后用于造纸废水深度处理实验，具体内容如下:
　　采用溶胶凝胶法制备铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂，其光降解性能由造纸废水的化学需氧量(CODCr)和色度降解率体现。正交实验产生的光催化剂最佳配比为:铈掺杂量1％，氟掺杂量6％，煅烧温度550℃。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)等，对催化剂进行掺杂种类、掺杂量、表面形态等特性的表征。结果表明:铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂的主晶相为锐钛矿型;该催化剂较市售纳米二氧化钛颗粒较小，分布更加均匀;从紫外可见分光光度计表征的结果来看，铈氟掺杂纳米二氧化钛的吸收带边发生了明显红移，在部分可见光范围内（400-500nm之间）有很强的吸收。
　　对铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂降解几种有机物（酚类、氨基类、芳香类、酮类、酯类）的性能进行测试。结果表明:铈氟掺杂纳米二氧化钛对这几种有机物均有降解作用，但降解所需时间不同，降解程度不同。
　　探索了铈氟掺杂纳米二氧化钛颗粒光降解造纸废水的影响因素，深入研究作用机理，确定处理造纸废水过程中的最佳工艺条件:废水初始pH值为4，催化剂添加量为1.0g/L，光照时间为50min，色度去除率达到95.5％，CODCr去除率达到90.3％。采用浸渍提拉法制备铈氟掺杂纳米二氧化钛薄膜，将其应用于造纸废水深度处理，结果表明:废水pH值为4，光照时间为70min时，色度和CODCr去除率达到最大值。并对其进行重复利用测试实验，结果显示，光催化剂薄膜重复利用6次后去除率仍在50％以上。
　　研究结果表明，铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂对造纸废水的处理效果较明显，对光催化处理造纸废水具有一定的指导意义。

目录

摘要

1 前言

1．1 纳米二氧化钛光催化研究进展

1．1．1 纳米二氧化钛的特点

1．1．2 纳米二氧化钛光催化原理

1．1．3 纳米二氧化钛光催化剂的应用

1．1．4 纳米二氧化钛的制各方法

1．1．5 影响二氧化钛光催化降解效率的因素

1．1．6 纳米二氧化钛的改性

1．2 造纸废水处理研究进展

1．2．1 造纸废水的来源和特点

1．2．2 造纸废水处理技术现状

1．3 二氧化钛光催化技术在造纸废水处理中的应用

1．4 本论文研究内容和意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

2 铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂的制备及其表征

2．1 实验试剂和仪器

2．2 溶胶-凝胶法制备铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂

2．2．1 催化剂制备工艺的优化

2．2．2 催化剂的制备方法

2．3 催化剂光降解造纸废水性能检测

2．3．1 光降解造纸废水装置

2．3．2 光降解造纸废水步骤

2．3．3 造纸废水水质检测

2．4 正交实验结果

2．4．1 CODCr去除率的影响因素分析

2．4．2 色度去除率的影响因素分析

2．4．3 正交结果分析

2．5 最优配方催化剂的制备

2．6 催化剂的表征

2．6．1 X射线衍射仪(XRD)

2．6．2 透射电镜(TEM)

2．6．3 扫描电镜与能谱仪(SEM／EDS)

2．6．4 紫外可见分光光度计(UV-Vis)

2．7 表征结果分析与讨论

2．7．1 XRD分析

2．7．2 TEM分析

2．7．3 SEM分析

2．7．4 EDS分析

2．7．5 UV-Vis分析

2．8 本章小结

3 铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化剂降解有机物性能测试

3．1 降解对象的选择

3．2 紫外可见光谱分析

3．3 铈氟掺杂纳米二氧化钛光催化降解有机物分析

3．3．1 光催化降解甲基橙

3．3．2 光催化降解苯酚

3．3．3 光催化降解二氨基二苯甲烷

3．3．4 光催化降解四氢呋喃

3．3．5 光催化降解甲苯

3．3．6 光催化降解邻苯二甲酸二丁酯

3．4 本章小结

4 铈氟掺杂纳米二氧化钛颗粒处理造纸废水的应用

4．1 造纸废水水质

4．2 分析方法

4．3 废水处理实验步骤

4．4 结果与讨论

4．4．1 造纸废水光降解的对比实验

4．4．2 催化剂加入量对废水处理效果的影响

4．4．3 废水初始pH值对处理效果的影响

4．4．4 光照时间的影响

4．5 本章小结

5 铈氟掺杂纳米二氧化钛薄膜处理造纸废水的研究

5．1 铈氟掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备

5．2 铈氟掺杂纳米二氧化钛薄膜处理造纸废水的应用

5．2．1 废水初始pH值对薄膜处理废水效果的影响

5．2．2 光照时间对薄膜处理废水效果的影响

5．2．3 铈氟掺杂纳米二氧化钛薄膜重复利用次数测试

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 前景展望

致谢

参考文献

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