二氧化钛纳米材料的制备及其对农药乐果的光催化性能研究

摘要

当前水污染问题是一项非常复杂的系统工程，其中，农药废水是水污染治理的具有挑战性的课题之一，用于水处理的新材料和新技术的开发成为研究者们关注的焦点。光催化氧化技术作为一种新型的环境友好的技术，在农药废水处理领域具有良好的发展前景。光催化氧化技术降解农药的关键在于光催化剂的选择以及催化剂的结构和性能。TiO2纳米材料因其氧化能力强、化学稳定性和热稳定性良好、且不会造成二次污染，从而成为该领域的金牌催化材料。为此，本文以廉价且资源丰富的钛铁矿为原料，通过一系列单因素实验制得TiO2催化剂，得到了优化的制备条件。为了改善纯TiO2催化剂分散性差和比表面积小等不足，将其负载到SBA-15分子筛上，从而提高催化剂比表面积。同时以农药乐果为目标降解物，考察这两种催化剂的光催化性能，研究其相互关系和影响规律。
　　本研究主要内容包括：⑴以四川攀枝花钛铁矿为原料，采用液相法硫酸酸解钛铁矿制得TiOSO4溶液，然后TiOSO4经过水解制得不同晶型、不同形貌和不同颗粒大小的纳米TiO2。深入考察了酸解过程中硫酸摩尔体积、反应时间、反应温度和硫酸浓度对钛铁矿酸解率的影响和还原剂铁粉的用量，并探讨了水解过程中不同水解条件对产物结晶度、形貌、产率的影响以及不同煅烧温度对TiO2晶型和粒径的影响。结果表明，当硫酸浓度为13.5 mol·L-1，硫酸摩尔体积为0.32 mol，反应时间为120 min，反应温度为160℃时，钛铁矿酸解率高达95.21％，所得的钛液中Ti4+浓度为121 g·L-1，钛液稳定性良好。在不同水解条件下制得不同形貌的TiO2产物，最高产率达到92.18％。在600℃-950℃温度范围下煅烧得到不同晶型（锐钛矿型、金红石型、锐钛矿-金红石混晶型）和不同颗粒大小的纳米TiO2(40 nm-60 nm)，TiO2产物纯度高于99％。⑵用前期制得的TiOSO4溶液作为前驱体和自制的SBA-15介孔分子筛作为载体，通过后合成水解法制备了含有不同TiO2负载量的TiO2/SBA-15催化剂。在模拟太阳光下，考察了催化剂煅烧温度、溶液初始pH值、催化剂用量、不同TiO2负载量和不同反应温度对乐果降解的光催化活性的影响，并对所制得的TiO2/SBA-15催化剂的稳定性进行研究。此外，对光催化过程中产生的中间产物和光催化动力学规律也进行了分析。研究结果表明，负载后的催化剂仍能保持SBA-15介孔分子筛稳定有序的二维六方孔结构，且比表面积大，克服了常用光催化剂因比表面积小而导致光催化效率低的缺点。26％TiO2/SBA-15催化剂的比表面积为386m2·g-1，它对农药乐果的光催化活性最高，在7小时内乐果可完全降解，该催化剂比纯TiO2催化性能高约62％，且其稳定性良好，使用4个循环后催化性能没有明显降低。分析结果表明，光催化降解农药乐果的反应是一级反应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 TiO2纳米材料的结构与性质

1．2 TiO2纳米材料的制备方法

1．2．1 固相法

1．2．2 气相法

1．2．3 液相法

1．3 TiO2纳米材料光催化的应用研究

1．3．1 光催化机理

1．3．2 TiO2纳米材料光催化的影响因素

1．3．3 TiO2纳米光催化剂的应用

1．3．4 TiO2纳米光催化技术局限与发展

1．4 TiO2纳米材料的发展趋势

1．5 论文的研究思路和研究内容

1．5．1 论文的研究思路

1．5．2 论文的研究内容

第二章 液相法硫酸酸解钛铁矿制备纳米TiO2

2．1 引言

2．2 实验试剂与仪器

2．3 液相法硫酸酸解钛铁矿

2．3．1 攀枝花原矿的表征

2．3．2 酸解原理和工艺流程

2．3．3 钛铁矿酸解的影响因素的研究

2．4 TiOSO4水解制备纳米TiO2

2．4．1 水解原理及实验过程

2．4．2 水解的影响因素的研究

2．5 产物的表征

2．6 本章小结

第三章 TiO2／SBA-15催化剂的制备、表征和对废水中农药乐果的光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验试剂与仪器

3．3 TiO2／SBA-15催化剂的制备

3．3．1 水热法制备SBA-15介孔分子筛

3．3．2 后合成水解法制备TiO2／SBA-15催化剂

3．4 光催化降解乐果实验

3．5 光催化剂的表征

3．5．1 XRD分析

3．5．2 FT-IR分析

3．5．3 XPS分析

3．5．4 拉曼光谱分析

3．5．5 紫外-可见光谱分析

3．5．6 HRTEM分析

3．5．7 N2吸附-脱附分析

3．6 TiO2／SBA-15催化剂对废水中农药乐果的光催化性能研究

3．6．1 影响光催化效率的因素

3．6．2 TiO2／SBA-15催化剂的稳定性

3．6．3 中间产物分析

3．6．4 光催化动力学规律

3．7 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的论文

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