纳米TiO管阵列材料的制备及其在光声电协同作用下的污染物降解研究

摘要

众所周知，水是非常宝贵的自然资源，是人类生活必不可少的物质。世界工业的迅速发展和人口的不断增加，导致人类对水的需求与日俱增。与此同时，人类本已有限的水资源受到日益严重的污染，水环境污染日益威胁到人类的生存与发展。光催化技术作为高效、应用范围广泛、无二次污染的水处理技术日益受到广泛的关注。 本文用阳极氧化法制备牢固结合在Ti金属箔片上的纳米ZiO2管阵列薄膜，并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼光谱仪等对所制得的样品进行了表征。考察了外加电压、电解液pH值、反应时间和煅烧温度对纳米TiO2管阵列形貌和晶型的影响。 当外加电压为20V、电解液pH为4.5～5时，反应6 h后，可以得到管径90 nm、管长(膜厚)1.8μm的管阵列材料。将该类型样品在400℃下煅烧2 h后可以得到锐钛矿型的TiO2管阵列薄膜，以之为固定型光催化剂，将电场和超声辐照引入降解体系中，形成光声电结合的降解装置。 以亚甲基蓝为模拟污染物，考察了自制装置在光催化、电催化、超声降解、声催化、光电、光声、声电以及光声电协同情况下的降解效果。研究了外加电压、超声频率和功率等工作参数对降解效果的影响。结果表明：在超声降解过程中，超声空化起到热解和制造活性自由基的作用，可以直接降解有机物。阳极偏压和超声频率在考察范围内都存在一个最佳值，阳极偏压为+1.4 V，超声频率为27 kHz，此时可以使得多能场协同效率达到最大，同时，超声频率为27kHz时，超声降解与声催化的降解率也达到最大，超声空化作用不仅决定了直接降解有机物的效果，也决定了TiO2的激发强度，决定了声催化的降解效果。而在声电与光声电协同降解中，阳极偏压的引入降低了降解效率。使声电协同的降解率比相同超声条件下的声催化降解率有所降低；使光声电协同的降解率比相同超声、光照条件下的光声协同降解率有所降低。 以苯酚为模拟污染物，简单考察了电场引入后声电协同与光声电协同降解率下降的原因。结果显示，无C1-的苯酚降解体系中阳极偏压的加入并没有降低降解率。因此，亚甲基蓝溶解后体系中存在的C1-很可能是导致电场加入后降解率下降的原因。当电场加入后，溶液中存在的C1-会在电场作用下向催化剂表面移动，占据催化剂表面的空穴h+，最终导致降解率的下降。本文的工作考察了三能场协同降解的效果和影响因素，对通过多能场联用方法扩展光催化技术的实际应用进行了探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3国内外研究概况

1.3.1光催化技术概述

1.3.2单独超声辐照降解技术概述

1.3.3超声与TiO2催化剂联用降解(声催化)技术概述

1.3.4 TiO2固定工艺概述

1.4论文的主要研究内容

第二章纳米TiO2/Ti管阵列材料的制备与表征

2.1实验部分

2.1.1实验试剂与仪器

2.1.2实验步骤

2.1.3实验原理

2.1.4样品表征

2.2结果与讨论

2.2.1阳极偏压对材料形貌的影响

2.2.2反应时间对材料形貌的影响

2.2.3电解液pH变化对材料形貌的影响

2.2.4煅烧温度对形貌的影响

2.2.5煅烧处理后的晶型

2.3本章小结

第三章基于纳米TiO2管阵列薄膜材料的单能场降解亚甲基蓝的研究

3.1实验部分

3.1.1实验试剂与仪器

3.1.2实验方法

3.2结果与讨论

3.2.1基于纳米TiO2管阵列薄膜的光催化降解

3.2.2基于纳米TiO2管阵列薄膜的电催化降解

3.2.3超声降解

3.3本章小结

第四章基于纳米TiO2管阵列薄膜材料的多能场降解有机污染物的研究

4.1实验部分

4.1.1实验试剂与仪器

4.1.3多能场协同降解

4.2结果与讨论

4.2.1基于纳米TiO2管阵列薄膜的光电协同降解

4.2.2基于纳米TiO2管阵列薄膜的声催化/声电协同降解

4.2.3基于纳米TiO2管阵列薄膜的光声协同降解

4.2.4基于纳米TiO2管阵列薄膜的光声电协同降解

4.2.5无氯离子体系中的多能场降解研究

4.2.6纳米TiO2管阵列催化材料的重复使用研究

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致谢