二氧化钛柱撑蒙脱土复合光触媒剂的制备及其光催化亚甲基蓝的研究

摘要

我国水资源短缺，印染废水处理已发展成为一个相当严峻的问题。鉴于此，如何有效、快速的解决这个问题已成为国内外的研究热点。近年来，研究表明光催化降解技术对处理印染废水表现了较高的降解效率。TiO2因其安全、无毒、化学性质稳定、经济成本低廉、光催化活性高等优点在光催化降解废水中有机染料方面具有很大的发展空间，然而由于TiO2存在着易流失、可见光下光吸收少的缺陷，限制了其应用发展，而蒙脱土具有较大的比表面积，较高的阳离子交换能力和较强的吸附能力。因此，将两者复合是提升TiO2光催化降解效率新的途径。
　　本文利用TiO2对亚甲基蓝溶液较高的光催化降解性能以及蒙脱土较大的比表面积和吸附性能的特点，在无水乙醇溶剂中采用溶胶-凝胶法制备了TiO2柱撑蒙脱土复合光触媒剂（TiO2-MMT）；通过引入N、S掺杂、石墨烯掺杂改性分别制备出了N、S共掺杂TiO2柱撑蒙脱土复合光触媒剂（N/S-TiO2-MMT）和石墨烯掺杂TiO2柱撑蒙脱土复合光触媒剂（C-TiO2-MMT）。同时，对其内部结构和表面形态进行表征，并研究了其对亚甲基蓝溶液模拟印染废水光催化性能。主要研究内容归纳如下：
　　一、以钛酸丁酯作为钛源，采用无水乙醇为溶剂，在酸性的条件下通过溶胶-凝胶法合成了TiO2-MMT复合光触媒剂，其制备的最佳工艺条件：蒙脱土悬浮液浓度为1％、钛土比为15mmol/g、焙烧温度500℃、焙烧时间2h。此外，探讨了亚甲基蓝溶液浓度、溶液pH值、溶液温度、光触媒剂投加量不同等因素对吸附性能的影响以及吸附机理。研究表明光触媒剂对亚甲基蓝具有明显的吸附性能，在可见光下，当亚甲基蓝溶液浓度为15mmol/L，溶液pH值为9，溶液温度为25℃，光触媒剂投加量为1.5g/L时光催化降解率可达到84.4%，且亚甲基蓝吸附体系符合准二级反应动力学方程，TiO2-MMT复合光触媒剂吸附性能明显高于TiO2。
　　二、采用溶胶-凝胶法，以钛酸丁酯作为钛源，无水乙醇为溶剂，在酸性条件下引入 N、S元素制备了 N/S-TiO2-MMT复合光触媒剂，其最佳工艺条件：n(N):n(S):n(Ti)=3:1:4；焙烧温度500℃；焙烧时间2h。考察了对亚甲基蓝的吸附作用，在相同的实验条件下光催化降解率可达到89.0%，实验表明N、S元素的掺杂进一步提高了光催化活性。
　　三、采用相同的实验方法，以石墨烯为掺杂剂，制备了C-TiO2-MMT复合光触媒剂，其最佳工艺条件：石墨烯掺杂量2%；焙烧温度500℃；焙烧时间2h。考察了对亚甲基蓝的吸附性能，在相同的实验条件下光催化降解率可达到94.2%，实验表明石墨烯的掺杂显著提高了光催化活性。
　　四、考察了TiO2-MMT、N/S-TiO2-MMT和C-TiO2-MMT复合光触媒剂分别在不同光源下的光催化降解效果。结果表明，在紫外光下，三种光触媒剂对亚甲基蓝的色度去除率分别为90%、92.1%、96%，略高于可见光下的色度去除率84.4%、89%、94.2%。N、S，石墨烯的掺杂进一步提升了TiO2对光的吸收能力。
　　本文采用X-射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）、紫外光谱（UV）、扫描电子显微镜（SEM）、热重（TG）、孔径分布分析（BET）、X-射线光电子能谱分析（XPS）等测试方法对光触媒剂的结构、形貌和光学性质进行了表征，研究了影响光触媒剂光催化性能的相关条件及合成参数，探讨了其光催化机理。实验研究表明， TiO2成功柱撑在MMT层间，蒙脱土原样、TiO2-MMT、N/S-TiO2-MMT、C-TiO2-MMT复合光触媒剂的比表面积依次增大，印证了前面的光催化降解结论。对本文所制备的光触媒剂进行重复循环性实验研究，研究发现光触媒剂稳定性较好，重复使用之后虽然催化性有所降低，但仍然具有良好的光催化活性。