溶胶-凝胶法制备纳米TiO/微珠(凹凸棒石)光催化复合材料及其组织性能研究

摘要

纳米TiO2是一种催化性较强的半导体材料,在紫外光照射作用下产生光生载流子:空穴和电子。利用空穴的强氧化性可以把污水中有机物分解成CO2和H2O,电子的强还原性可以将污水中重金属离子还原。纳米TiO2颗粒作为光催化剂有以下优点:产物无毒,原材料来源丰富、催化材料易合成；但其作为光催化剂有较大的局限性:首先纳米TiO2颗粒在溶液中极易团聚影响光催化效果,其次纳米粒子在溶液中不易回收容易造成“二次污染”。
　　 本研究选择稳定性好、比表面积大、易于与纳米TiO2牢固结合且价格低廉、资源丰富的粉煤灰微珠和凹凸棒石作为纳米TiO2的载体。采用溶胶.凝胶在不同温度煅烧制备出纳米TiO2／微珠和纳米TiO2／凹凸棒石光催化复合材料,重点研究了影响复合材料光催化的主要因素,探讨了光催化降解甲基橙的动力学过程,得出以下结论:
　　 1.采用XRD,SEM,TEM,EDS等分析方法对制备复合材料进行了表征,研究结果表明:1)微珠表面均匀包覆一层致密的纳米TiO2薄膜；2)凹凸棒石表面均匀负载一层纳米TiO2颗粒；3)不同温度下煅烧制备的复合材料中纳米TiO2相含量和晶粒尺寸差别较大。
　　 2.影响复合材料光催化性能的主要因素有:煅烧温度、催化剂的添加量以及负载次数,研究表明:1)经过3次负载500℃煅烧后制备的纳米TiO2／微珠复合材料光催化效果最佳,催化剂添加量为3g／1时,光照2h甲基橙溶液的降解率达到98.6％；2)600℃煅烧制备纳米TiO2／凹凸棒石复合材料光催化效果最佳,当催化剂添加量为2g／L时,光照2h甲基橙的降解率到达92％。
　　 3.纳米TiO2／微珠光催化复合材料具有较好可重复利用性,经过7次重复利用以后仍能使甲基橙的降解率达到50％以上。甲基橙降解过程遵循Langmiur-Hinshewood动力学模型,复合材料表观速率常数K值是相同工艺条件制备纳米TiO2的1.6倍。
　　 4.纳米TiO2／凹凸棒石光催化复合材料降解甲基橙动力学过程研究表明:纳米复合材料对甲基橙有较强的吸附性,吸附平衡常数Ka=0.0896,吸附作用对复合材料的光催化性能不可忽略,光催化动力学方程符合L-H(Langmnir-Hinshelwood)模型,二级动力学方程很好地描述其降解规律,光催化动力学方程:ln Gt+0.00896Ct=0.418—0.0197t。

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第一章 绪论

1.1 纳米TiO2光催化半导体材料概述

1.2 纳米TiO2应用

1.2.1 抗菌除臭

1.2.2 废水处理

1.2.3 净化空气

1.2.4 处理重金属粒子

1.3 纳米TiO2结构分类

1.4 纳米TiO2光催化反应特性

1.4.1 纳米TiO2光催化原理

1.4.2 影响纳米TiO2光催化性能的主要因素

1.5 纳米TiO2的制备方法

1.5.1 气相法

1.5.2 液相法

1.5.3 溶胶-凝胶法

1.5.4 沉淀法

1.5.5 水热法

1.6 纳米TiO2光催化剂的负载

1.6.1 多孔性物质负载纳米TiO2

1.6.2 硅酸类载体负载纳米TiO2

1.6.3 磁性悬浮载体负载纳米TiO2

1.6.4 负载的方法

1.6.5 前驱体负载法

1.6.6 光催化活性粉体负载法

1.7 本课题的主要研究内容

第二章 Sol-Gel法制备纳米TiO2

2.1 溶胶-凝胶法反应机理

2.2 溶胶-凝胶法制备纳米TiO2

2.2.1 实验原料及仪器

2.2.2 纳米TiO2制备过程

2.3 样品XRD结果分析

2.4 影响溶胶-凝胶过程的主要因素

2.4.1 pH值对溶胶-凝胶过程的影响

2.4.2 加水量对溶胶-凝胶过程的影响

2.4.3 溶剂对溶胶-凝胶过程的影响

2.5 纳米TiO2光催化活性的研究

2.5.1 纳米TiO2光催化实验

2.5.2 影响纳米TiO2光催化性能的主要因素

2.6 本章小节

第三章 纳米TiO2/微珠光催化复合材料的制备、组织、性能

3.1 微珠物理特性

3.1.1 微珠化学组分

3.1.2 微珠的外观特征

3.1.3 微珠的粒度

3.1.4 微珠的密度

3.1.5 微珠的光学特性

3.1.6 微珠的声学特性

3.2 纳米TiO2/微珠复合材料的制备过程

3.2.1 实验试剂及设备

3.2.2 纳米TiO2/微珠复合材料的制备过程

3.3 结果分析与讨论

3.3.1 XRD分析

3.3.2 样品的SEM和EDS图谱

3.4 纳米TiO2/微珠光催化复合材料的光催化性能研究

3.4.1 复合材料的光催化性能测定

3.5 影响纳米TiO2/微珠复合材料光催化性能的因素

3.6 复合材料的重复利用率

3.7 本章小结

第四章 纳米TiO2/凹凸棒石复合材料的制备、组织性能

4.1 无机化合物负载分类

4.1.1 链状结构硅酸盐

4.1.2 架状结构硅酸盐

4.1.3 层状结构硅酸盐

4.1.4 环状结构硅酸盐

4.2 凹凸棒石的基本特征

4.3 凹凸棒石的物理化学性质

4.3.1 凹凸棒石的力学性质

4.3.2 凹凸棒石的带电性

4.3.3 凹凸棒石的比表面积

4.4 凹凸棒石的吸附性质

4.4.1 物理吸附

4.4.2 化学吸附

4.4.3 离子交换吸附

4.5 实验步骤

4.5.1 实验原材料及设备

4.6 复合材料制备流程

4.6.1 凹凸棒石的预处理

4.6.2 纳米TiO2/凹凸棒石光催化复合材料的制备过程

4.6.3 复合材料吸附等温线的测定

4.7 结果分析与讨论

4.7.1 样品XRD分析

4.7.2 样品的HRTEM、SEM照片及EDS谱图

4.8 纳米TiO2/凹凸棒石复合材料光催性能及影响因素研究

4.8.1 纳米TiO2/凹凸棒石复合材料光催化性能

4.8.2 影响复合材料光催化性能的因素

4.9 纳米TiO2/凹凸棒石复合材料光催动力学研究

4.10 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目