新型微纳米复合柔性材料的制备及其在废水处理中的应用

摘要

近年来，随着我国工业化进程的加快，生态环境遭到的破坏日益严重，如何解决这些环境问题也成了人们的当务之急。纺织业作为我国的国民经济传统支柱产业和重要的民生产业，是我国产业在国际竞争中最具优势的产业之一，但纺织业同时也是一个高污染行业。据国家环保总局统计，2012年纺织工业废水排放总量居全国制造业排放量的第3位。其中，染整废水排放量占80％，且污染重、处理难度高，废水的回用率低。
　　目前，我国主要采用传统方法（如物理法和化学法）处理印染废水。物理法像离子交换、吸附、膜分离等只是把污染物从一相转移到另一相，染料本身并没有被彻底降解；化学法常涉及到化学药剂的使用，运行成本较高，同时，也有可能产生二次污染。随着我国对废水治理研究的深入，人们发现光催化氧化技术在彻底降解有机污染物方面有着突出的优点，特别是当有机污染物含有芳环或杂环结构，且用其他方法难以降解时，更具有明显的优势。因而，光催化降解消除有毒有机污染物将成为解决环境污染的一条廉价可行的途径。
　　关于光催化降解印染废水的现有研究表明，人们大都采用二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）和钒酸铋（BiVO4）等半导体氧化物作为光催化剂。然而这些催化剂存在几个弊端：
　　1) TiO2、ZnO等带隙较宽，只对太阳光能中的紫外光有响应，对光能的利用率很低；
　　2) BiVO4吸附性能差，电子-空穴对迁移困难、易复合等原因，导致其在可见光下催化降解有机物的活性较低；
　　3)粉体催化剂回收困难，成本较高。
　　基于上述原因，本研究课题尝试用硫化钠作为模板剂，采用回流合成法表面被单质银均匀修饰的光催化剂BiVO4（Ag/BiVO4），并将其负载到经四乙氧基硅烷（TEOS）和1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）双层改性的棉织物上，制得具有光催化能力的复合材料。
　　本论文的主要研究工作如下：
　　1、通过回流合成法制得Ag掺杂BiVO4光催化剂，并考察反应体系的pH值、反应温度、反应时间、煅烧温度及银的掺杂量对Ag/BiVO4性能的影响。结果表明反应体系的pH值、反应温度、煅烧温度以及Ag的掺杂量等对产物的形貌结构及其光催化活性有很大的影响，当Ag的掺杂量为5at.%（Ag/BiVO4中Ag的摩尔百分数）时，在反应体系pH=10，100℃下回流1.5h条件下，产物经460℃高温煅烧6h，制得Ag/BiVO4的光催化活性最高。
　　2、利用X射线光电子谱（XPS）和扫描电镜（SEM）等手段对Ag/BiVO4进行表征，观察到织物表面被一层均匀细小的颗粒所覆盖，并证实了 Ag、Bi、V等元素的存在。通过X射线衍射（XRD）和紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）对其进一步分析得知，光催化剂为Ag掺杂单斜晶型BiVO4，对380~510nm的可见光有强吸收。
　　3、通过活性蓝19（C.I.RB-19）的光催化降解效果测试光催化剂的活性。在可见光照射下，纯BiVO4在1.5h内对浓度为25mg/L的C.I.RB-19的降解率只有7%，而Ag/BiVO4对C.I.RB-19的降解率达到95%，说明Ag掺杂后的BiVO4的光催化性能得到明显提升。同时，研究了添加剂对Ag/BiVO4光催化降解性能的影响，加入空穴捕捉剂，光催化剂几乎失活；而羟基自由基捕捉剂的加入对Ag/BiVO4的光催化活性没有影响，说明在光催化降解过程中，空穴起主导作用。
　　4、采用浸渍法将Ag/BiVO4负载到TEOS和BTCA双层改性棉织物上，制得光催化复合材料，并对其进行表征和光催化活性测试。结果表明：光催化复合材料表面被 Ag/BiVO4覆盖；在可见光照射下，光催化复合材料在1h内对浓度为25mg/L的C.I.RB-19的降解率即可达到90%。经过5次重复使用后复合材料对染料的光催化降解效果略有下降，但光照1.5h后C.I.RB-19的降解率仍能达到87%。
　　5、通过测试可见光照射2h后光催化复合材料的撕破强力，未经TEOS改性复合材料的强力保留率为78%，TEOS改性复合材料强力保留率达到96%，说明硅保护层减弱了光催化过程中光催化剂对载体的损伤。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 半导体光催化与光催化剂

1.3可见光响应型光催化剂BiVO4的研究现状

1.4 光催化剂在纺织品上的应用现状及存在的问题

1.5 本课题的研究内容与研究意义

第二章 Ag掺杂BiVO4的合成及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 实验内容

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 Ag掺杂BiVO4的光催化性能研究及其机理探索

3.1 引言

3.2 实验药品与仪器

3.3 实验内容

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 Ag/BiVO4光催化复合材料的制备及其性能研究

4.1 引言

4.2 实验材料、药品与仪器

4.3 实验内容

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢