Ce-TiO2/SiO2复合纳米纤维的制备及其光催化降解亚甲基蓝的研究

摘要

染料废水因其具有有机物浓度高、色度大、成分复杂、难生物降解、脱色困难等特点，一直是工业废水处理的难点。光催化氧化是一种绿色高效的高级氧化技术，近年来在染料废水处理中得到了应用。目前最常用的光催化剂是纳米TiO2，但是，由于TiO2只能被紫外光激发，太阳能利用率不高，而且在催化反应过程中容易流失、难以回收，这些局限性限制了TiO2的实际应用。因此，研制对可见光有相应的且易于回收的光催化剂具有重要意义。
　　 本文以钛酸丁酯、正硅酸乙酯、硝酸铈为主要原料，在溶胶-凝胶法基础上复合静电纺丝技术制备了不同Ce掺杂量的TiO2/SiO2复合纤维，并以亚甲基蓝为目标污染物，研究了在模拟太阳光下制得的催化剂对亚甲基蓝的光催化降解行为，探讨了Ce掺杂量、催化剂用量、亚甲基蓝初始浓度、溶液初始pH值、无机阴离子等因素对光催化活性的影响，同时讨论了在不同反应条件下光催化降解亚甲基蓝的动力学特征。在此基础上，对Ce-TiO2/SiO进行了一些列的表征实验，通过XRD、SEM、TEM、IR、TG和UV-Vis DRS等手段对光催化剂的微观结构及形貌特征进行了分析，得到光催化剂与亚甲基蓝之间的构效关系。研究结果表明：
　　 (1)采用溶胶-凝胶复合静电纺丝法得到的干凝胶纤维在400℃焙烧4h后，能够成功得到Ce-TiO2/SiO2复合纤维。该纤维状光催化剂呈现多孔结构，有效地提高了催化剂的比表面积。
　　 (2)稀土元素Ce的有效掺杂可以显著提高光催化剂的催化活性，且掺杂量存在一个最佳值，当nCe: nTi＝0.2％时光催化剂的催化活性最好；
　　 (3)催化剂投加量、亚甲基蓝的初始浓度、溶液初始pH值等都是影响光催化降解效果的重要因素。在最佳催化条件下，Ce掺杂量为0.2%、催化剂投加量为100 mg/L、pH为11时，200 mL2.5 mg/L的亚甲基蓝溶液在模拟太阳光辐射120 min后，降解率可达92.6%；
　　 (4)无机阴离子NO3-、SO42-、C1-的存在对亚甲基蓝的光催化降解均具有抑制作用，其作用大小为Cl-＞ NO3-＞SO42-。
　　 (5)在模拟太阳光照射条件下，实验制备的Ce-TiO2/SiO2纤维及粉体光催化剂催化降解亚甲基蓝的效果均优于P25，粉体的光催化效率略高于纤维催化剂，但相较于纳米粉末，纳米纤维具有易于固定和回收等优点，不会造成二次污染，所以作为现实应用的催化剂，纳米纤维更为实用和有效。
　　 (6)在模拟太阳光作用下，研究了不同Ce掺杂量、催化剂用量、亚甲基蓝初始浓度、无机阴离子等反应条件下光催化降解亚甲基蓝的反应动力学规律。结果发现，在各种参数条件下，亚甲基蓝的光催化降解过程均符合一级反应动力学特征。