二氧化钛光催化材料的研究及在造纸废水处理中的应用

【摘要】宽禁带的半导体二氧化钛以优良的光电、光化学等性能，以及简单的制备工艺受到了科研工作者们的广泛关注。由于其Fermi能级较高、吸附氧能力和羟基化作用强，且化学性质稳定，具有光催化氧化性能，可被太阳光激发，在水相中对有机类污染物有良好的催化降解作用，使得其在除污净化废水方面具有广泛的发展和应用。考虑到水污染问题趋势的严重性，且废水排放标准的提高及为实现技术更新，研究新的处理方法及其影响参数，研究中以光催化氧化技术在废水处理中的应用着手，制备出光催化材料并评估对模拟的和实际废水的净化能力，以拓展在造纸废水处理中的应用。采用4种溶解性盐份的浓度值作为变量，研究在紫外光下对二氧化钛光催化性能的影响。将凝胶前驱体在500℃保温2h后，制备得到TiO2粉末，通过XRD、SEM表征手段观察发现，粉末表现为锐钛矿的晶相结构，其平均亚晶粒尺寸为19.1nm。降解实验发现，当NH4Cl、Na2SO4、NaNO3、FeCl3在水中含量分别为8mmol/l、16mmol/l、20mmol/l、0.8mmol/l时，具有的积极影响最大。同时为提高针对有机物的催化降解能力，在以TiO2为主体催化剂的基础上，过渡态元素掺入后降解率提高了3.9%，电子受体引入后降解率提高了11.7%。TiO2醇溶胶被浸渍在4A分子筛（4A-Na）上，以微波辅助溶胶凝胶法在4A-Na上沉积出具有长度分布在100-250nm之间的TiO2晶体。通过SEM观察，在4A-Na上沉积不同层数的醇溶胶，则制备的最终样品形貌表现出不一致。结果表明，当在4A-Na上沉积两层TiO2时，可以得到具有柱状晶体均匀分布的形貌，且经过4次的催化利用以后，溶液中有机物的残留率为24.1%，较优于其他层数的37.5%、39.9%、42.8%。在非均相光催化体系的作用下，有机物的去除主要以光催化降解为主。以滑石粉（Talc）的负载和TiO2的光催化能力相结合制备材料，在Talc表面或层之间生长出具有200nm左右尺寸的球型TiO2颗粒。以有机物的去除率作为响应值，用于评价所制备的5种样品的光催化氧化能力，并根据所制备的材料组装出相适应的光反应装置。结果显示，在400℃下退火处理所制备的样品具有较好的热稳定性和亲水性，对有机染料吸附率提高了8.1%，于光照条件下在1h内的去除率达到70.0%。考虑到实际效果与理论预测的相符合，利用负载的光催化材料，为彻底的降解有机物，在吸附基础上结合光催化氧化性能是可行的。结合造纸废水处理方法多样性，以及具有可开发潜力的特征，采用所制备的三种光催化材料，选用两种光源设计考察影响废水处理的一些因素。结果显示，废水浓度、H2O2添加量、初始pH以及反应装置对有机物的去除均有所影响，对较低有机物浓度的生化出水，无负载TiO2光催化处理后，CODcr去除率可达66.5%，使用4A-Na负载体处理后的CODcr残留率为63.5%，而利用12mmol/l的H2O2强化处理后，CODcr的去除率可提高32.0%。通过比较实验得出，采用Talc负载TiO2为催化剂和气流扰动液体，在最佳初始pH为5.02时，对含有300mg/l和161mg/lCODcr的废水进行处理，反应结束后的CODcr残留率分别为23.7%和19.8%，表明了使用光催化方法处理造纸废水对其达标排放具有实际的应用价值。
【作者】娄季攀；
【导师】薛国新；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】TiO2；4A分子筛；滑石粉；光催化氧化；造纸废水；

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