TiO2光催化剂负载化及其催化性能研究

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生产及生活废水成分复杂、有机物含量高、且含有大量病菌,处理难度大,传统两级污水处理后的废水并不能直接排放或在生产和生活中利用,但三级废水处理一般采用高耗能的膜过滤和深度化学处理方法,大大增加了废水处理的成本。光催化技术能够很好的降解处理废水中有机污染物和病菌,光催化剂几乎对所有的有机类物质都具有光催化活性。本文选用具有良好光催化活性和稳定性的二氧化钛(TiO2)作为光催化剂,并通过溶胶凝胶技术将催化剂固定到SiO2气凝胶和有机膜上,以亚甲基蓝为光催化模型,研究制备复合光催化剂的最佳工艺条件,并将制备的光催化剂应用于实际生产生活废水。具体研究内容如下:首先,以SiO2气凝胶为载体,采用溶胶凝胶法制备出无机硅基TiO2-SiO2光催化剂。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射图谱和比表面积及孔结构分析等分析手段对复合催化剂的表面形态和空间孔结构进行了表征,结果表明TiO2微粒均匀搭载在SiO2气凝胶的表面,并且催化剂具有丰富的空间孔结构和良好的比表面积。在单因素实验和响应面优化实验基础上得出制备硅基催化剂的最佳工艺条件为:正硅酸乙酯(TEOS)和水的用量比(V/V)为4:1,悬浮液中TiO2的浓度为2.21 g/L,溶胶凝胶时间为3.11天,其对亚甲基蓝的24 h去除率达到99.1%。重复性实验表明:复合催化剂对亚甲基蓝溶液重复5次降解实验后,对亚甲基蓝的2 h去除率由76.70%变为53.74%。其次,以有机膜为载体,采用溶胶凝胶法制备出有机光催化剂薄膜材料。通过不同的分析手段对催化剂薄膜的表面形态和晶态结构进行了表征,结果表明搭载在有机膜表面的TiO2以疏松多孔的结构存在,材料存在较多的表面羟基提高了催化剂的催化活性。在单因素实验和响应面优化实验设计基础上得出制备硅基催化剂的最佳工艺条件为:KH560和水的用量比(V/V)为3.86:1、混合液中TiO2的浓度为4.61 g/L、柠檬酸三钠添加量为22.00 g/L、二苯胺磺酸钠添加量为7.50 g/L,其对亚甲基蓝的24 h去除率达到96.6%。重复性实验表明:复合催化剂对亚甲基蓝溶液重复5次降解实验后,对亚甲基蓝的2 h去除率由55.80%变为52.15%。最后,将制备的两种复合催化剂分别应用于实际生活及生产废水的处理中,考察了废水的COD和色度值在光催化降解过程中的变化情况。实验结果表明:两种催化剂对具有较小色度值和COD的废水处理效果较好;无机硅基TiO2-SiO2催化剂因丰富的孔结构展现出更好的吸附作用,载体对有机物的吸附作用和TiO2对有机污染物的降解之间存在着良好的协同作用;增加搅拌、加入双氧水均会提高光催化剂对废水中有机污染物的降解效率。
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