硼掺杂TiO光催化剂的制备及其降解纺织印染废水的研究

摘要

光催化剂是一种重要的绿色环保材料，具有高光催化活性、强紫外线屏蔽能力，使其在诸多领域有着诱人的应用前景。以TiO2为代表的半导体光催化氧化技术能在常温下利用光能氧化分解污染物，是具有广阔应用前景的治理环境污染的新技术。但TiO2禁带宽度大(3.2eV)，只能利用太阳光中的紫外线部分(仅占太阳光能3-4％)，这使TiO2作为光催化剂在实际应用中难以大规模推广。 为了进一步提高纳米二氧化钛光催化剂的活性，在深入分析二氧化钛光催化机理的基础上，本研究采用非金属离子掺杂的方法对二氧化钛光催化剂进行改性研究。以钛酸四丁酯为钛源，无水乙醇为溶剂，选取了短周期非金属元素B作为掺杂剂，采用溶胶-凝胶法来制备纳米二氧化钛颗粒光催化剂；研究焙烧温度、掺杂比例对纳米TiO2晶型组成、粒径大小和催化活性的影响，并利用X射线衍射法对所制得的二氧化钛粉体进行表征，研究了TiO2粉体在焙烧过程中的相转变。考察了B元素掺杂对二氧化钛粉体的晶型结构、晶粒尺寸的影响。通过降解甲基橙溶液，研究了硼掺杂对二氧化钛光催化活性的影响，确定了最佳掺杂焙烧温度和最佳掺杂比例，并采用XRD，FTIR，UV—Vis及TEM等表征手段，研究了所制催化剂的结构和光电性质，初步探讨了非金属离子硼掺杂对二氧化钛粉体光催化活性影响的机理。 TiO2本身对有机物的吸附能力较弱，若采用吸附性载体负载TiO2则可显著提高TiO2的光催化效率。吸附剂作为载体的最大优势是可以将有机物吸附到半导体粒子的周围，增加局部浓度及避免中间产物挥发或游离，加快反应速度。采用多次浸渍-干燥-锻烧操作将其负载在活性炭上，形成负载型光催化剂B-TiO2/AC。本文探讨了负载量、硼掺杂等因素对光催化降解甲基橙溶液的影响。通过SEM、XRD等分析手段对负载型催化剂的表面形貌、物化性能、晶态结构等进行了表征。并实验完成了负载型催化剂用量、甲基橙初始浓度对脱色率的条件优化。 研究结果表明：(1)采用溶胶-凝胶法制备硼掺杂TiO2时，400℃焙烧的样品催化活性最高，可以有效提高光生载流子的分离效率。硼的掺杂，可以提高TiO2对光的吸收，但对TiO2的禁带宽度影响很小。(2)通过比较溶胶．凝胶法结合浸渍法制备的负载活性炭后硼掺杂的TiO2的光催化性能、结构及光吸收性质，发现溶胶—凝胶法结合浸渍法所得到的负载型催化剂光催化性能明显得到提高。(3)以实际纺织工业中排出的废水为目标降解物，研究了所制得的催化剂其广泛应用性，发现所制复合型催化剂对印染废水和毛纺染色废水都具有良好的催化降解性能。并且所制催化剂性能稳定，可重复利用率高，在实际应用中有较高的市场价值。