南航三小申报范文.doc

南昌航空大学第五届“三小”活动项目申 报 书项 目 类 别：小发明 小制作 小创作 项 目 名 称：竹炭负载纳米TiO2材料的制备及其处理氨氮废水的研究项目负责人：所 在 学 院：联 系 电 话：指 导 老 师：填 表 日 期：南昌航空大学团委制南昌航空大学大学生科技创新基金项目申请表一、基本情况项目名称竹炭负载纳米TiO2材料的制备及其处理氨氮废水的研究申请金额5000元项目类别小发明 小制作 小创作项目来源 自主立题 教师指导选题申请人姓名性别专业所在学院、班级电话项目组成员姓名性别班级专业项目分工 指导教师姓名职称所在学院联系电话签字二、立题依据1研究目的及意义：随着城市人口的增长和工农业的发展，由各种废水排放引起的水体富营养化问题日益突出。我国的某些湖泊已经出现不同程度的富营养化。控制富营养化，必须控制氮磷的排放。废水中氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。当污水中的有机物被降解时，其中的有机氮降解为氨氮。经活性污泥法处理的污水有相当量的氨氮排入水体，可以导致富营养化。因此，对废水进行二级处理时必须进行脱氮处理。目前工业上采用的主要方法有化学法和生物法两类。化学法有吹脱法和折点加氯法，吹脱法将水中的氨氮排放到大气中，对大气造成污染，而且这些氨氮还会回到水体中；折点加氯法虽然可以有效的去除氨氮，但是氯的存在对人体是有害的。生物法脱氮的周期较长且对处理温度、时间有较高的要求。因此，研究开发新的氨氮深度处理方法和理论有非常重要的意义。2.国内外研究现状：自SN Frank等开拓性地将半导体材料用于光催化降解污染物取得了突破性的进展以来，光催化技术用于环境污染物的降解受到了国内外学者的广泛重视。目前要求对空气及水污染治理过程本身也应该是环保的，即不能产生对人体和环境有害的副产品。光催化的作用过程就具有“绿色”特征，如光催化剂的安全性，在室温或接近室温的温度下起作用，氧气的最终来源是分子态氧等（比H2O2和O3等还弱的氧化剂）。在已被研究的催化剂中，TiO2被认为是较为理想的。但是，由于TiO2的强亲水性，在处理废水后难以回收，需要将其负载于一定的载体上或者制备成膜。经过载体负载或成膜处理后，催化剂的活性有所下降。常用的TiO2的光化学性能虽然较稳定，但其带隙能较大，达3.2eV，要在小于或等于387.5nm的紫外光下才能被激发。另外一个影响半导体光催化剂催化效率的重要因素是光生电子和光生空穴的复合。由于电子和空穴极易复合，势必会降低高活性氧化基团的产率，导致催化剂催化能力的下降。因此，必须对催化剂进行改性。一般可采用两种方法进行改性：一种是对催化剂进行表面修饰；另一种是把催化剂制成纳米材料。TiO2催化剂经过适当的表面修饰能提高光生电子-空穴对的分离效率，降低其复合几率，有时还可拓宽其光激发响应范围，使其由短波区向长波方向移动甚至达到可见光区，为利用太阳能提供了一个有效的途径。TiO2催化剂的表面修饰主要有贵金属沉积、过渡金属离子掺杂、半导体复合、表面预处理、表面光敏化等。近年来，人们对超微颗粒特别是对纳米TiO2光催化剂的研究日益增多，国内也开展了许多研究。余锡宾等用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法制备了粒径为1020nm左右的TiO2纳米颗粒，并详细介绍了TiO2纳米微粒的制备及其催化活性，以及TiO2纳米微粒尺寸效应与吸收特性的关系。霍爱群等用异丙醇钛酸酯-水-醇体系制备纳米TiO2，降解废水中的阿特拉津，降解率高达98.3%。同时，其采用Sol-Gel法制出无机非整比TiO2-x膜，经过可控气氛热处理后，可在膜表面形成较多亚稳相氧化空位缺陷，为催化表面提供了更多的吸附中心和反应活性位，因而表现出更高的催化反应活性。高濂等研究了纳米晶金红石相的光催化活性，发现量子尺寸的金红石比相同尺度的锐钛矿相二氧化钛具有更高的降解苯酚活性；他们还使用TiO2纳米晶光催化降解铬酸根离子，结果表明锐钛矿型的催化活性最好。余家国等用溶胶凝胶法制备了锐钛矿型纳米TiO2粉体，经光降解甲基橙水溶液证明较普通TiO2的活性有很大提高。为了提高二氧化钛的光催化活性，许多研究者对其进行了改性研究。在其表面沉积贵金属被认为是一种有效的方法，如Ag、Ir、Au、Ru、Pd等共沉积修饰的也有报道，这些金属的沉积都在不同程度上提高了TiO2催化活性，但以Pt的修饰效果为最好。半导体中掺杂金属离子不仅可能提高半导体的光催化作用，还可能使半导体的吸收波长范围扩展至可见光区域。王剑波用Ce掺杂二氧化钛粉用于降解DDNP废水，在可见光照射的前提下取得了很好的效果。另外，半导体复合、表面光敏化、强酸修饰、热处理也是提高二氧化钛的光催化活性的有效手段。施利毅等制备了SnO2TiO2复合颗粒，其光催化活性较纯TiO2颗粒有较大提高；并认为这是因为不同能级半导体之间光生载流子的运输和分离。由于二氧化钛具有很强的亲水性，而且，超细二氧化钛容易团聚。所以，用于废水处理时，必须将其负载于一定的载体上才能使用。负载型TiO2的制备方法主要有溶胶凝胶法、CVD法、偶联法、电泳法、自组装成膜法、水解沉淀反应法、反应（磁控）溅射法以及脉冲激光沉积法等等。颜秀茹等制备出TiO2/SiO2复合材料并将其应用于降解敌敌畏，结果表明，该材料的光催化敌敌畏的效果优于纯二氧化钛粉末。戴清等研究了载钛中孔二氧化硅分子筛的光催化性能，结果表明，在相同钛含量的情况下，复合材料的光催化性能随着载体孔径的增大而有所提高。美国专利US07223849公开了一种使用二氧化硅二氧化钛共凝胶或二氧化硅二氧化钛铬三凝胶法制备一种催化剂用于聚合催化剂。刘鸿等使用泡沫镍负载二氧化钛用于光催化降解磺基水杨酸。日本的石原产业、堞化学公司等二氧化钛生产公司将二氧化钛负载于活性炭、陶瓷球担载体等载体上制备出各种产品应用于抗菌、防污、水处理和除臭等环境保护领域。王俭将二氧化钛负载于多孔玻璃上应用于低浓度含酚废水的处理，取得较好的效果。综上所述，二氧化钛可以被负载于玻璃、陶瓷片、粉体或者制备成膜。但是这样得出的产品却限制了二氧化钛的作用面积和分散性。因此，寻找一种既能够有效负载纳米二氧化钛粉体、化学性质稳定，又可以方便地分散于水中、同时方便地回收的载体，有着重要的意义。竹炭具有质轻、多孔、相对密度小。还具有独特的微孔结构，比表面积大，堆密度小，孔体积大，因此，在水溶液中可用于吸附金属离子、有机化合物、高分子聚合物，还可以吸附蛋白质等等。利用竹炭处理废水是利用其吸附性能，把污染物从水中转移出来，有害的物质并没有去除。因此，开发彻底去除有害物质或者回收利用有害物质的工艺和技术有着重要的意义。综上所述，制备用竹炭负载的纳米TiO2材料，在用于深度处理氨氮废水时，可以综合竹炭的吸附功能、纳米TiO2颗粒的大比表面积和高比表面能的性能和高催化活性、抗菌等优异性能。另外，竹炭来源广、价格便宜，使得该新型材料的制造成本低廉，因此，应用前景广阔。由于竹炭具有强的吸附性能，可以吸附水中小的固体颗粒、重金属离子和大部分有机污染物；二氧化钛有抗菌性能，因此，这种水处理剂还具有杀菌性能和进一步净化水质的功能。据2000年中国环境状况公报，2000年，我国工业和城市生活污水排放总量为415亿吨，其中工业废水排放量为194亿吨，城市生活污水排放量为221亿吨。据统计，我国近年来氨氮的排放量为129万吨左右，并且逐年上升。适时研究开发“绿色”的去除氨氮的理论和工艺技术，对于解决我国日益严重的水污染和缺水的问题有着十分重要的意义。三、研究方案1研究内容、方法、特色和创新：研究内容：竹炭表面负载纳米TiO2材料的制备工艺技术及其反应过程热力学和动力学分析；用竹炭负载纳米TiO2材料深度处理氨氮废水的实验以及反应过程热力学和动力学分析。方法：竹炭负载纳米TiO2材料的制备拟采用化学沉淀法制备竹炭负载纳米TiO2材料，采用四氯化钛溶液为母液，将竹炭分散于母液中，然后在一定的条件下水解四氯化钛溶液，反应后将其过滤、烘干、真空煅烧而得到竹炭负载纳米TiO2光催化剂。影响竹炭负载纳米TiO2光催化剂的制备效果的因素有母液浓度、pH值、反应温度、水解速度、反应时间等因素，使用正交试验法对各主要影响因素进行研究并获得制备不同负载率的竹炭负载纳米TiO2材料的最优工艺参数。该试验研究的关键问题是如何使生成的纳米二氧化钛粉体为纳米级且均匀分布在竹炭的表面，如何控制纳米二氧化钛的晶型（锐钛矿型或者金红石型）。解决二氧化钛粒度的办法是通过试验研究控制二氧化钛生成反应的条件（母液浓度、反应温度、pH值、水解速度等等）。解决二氧化钛晶型的办法是通过试验确定合适的煅烧方式和恒温时间。竹炭负载纳米TiO2材料性质与性能的表征及反应过程动力学和热力学分析在制备出硅藻土负载纳米TiO2材料的基础上，对材料进行原子力显微镜、透射电子显微镜、化学成分以及表面二氧化钛颗粒的晶型等分析，以表征竹炭负载纳米TiO2光催化剂的性质，同时根据后面的处理氨氮废水的效果对该材料进行催化活性分析和表征。竹炭负载纳米TiO2材料深度处理氨氮废水的研究拟在实验室自制竹炭负载纳米TiO2处理废水实验装置，进行竹炭负载纳米TiO2深度处理氨氮废水的研究。对竹炭/TiO2的光催化剂、不同初始氨氮浓度、不同光强度的条件下氨氮的去除率进行研究，考察所制备的光催化材料的催化活性，寻求竹炭负载纳米TiO2光催化剂深度处理氨氮废水的最优工艺参数。特色和创新：特色和创新：使用竹炭负载纳米TiO2粉制备新型废水处理材料，是一个全新的课题，前人尚未进行系统的研究。竹炭本身是一种性能独特的吸附材料且处理废水后容易与水分离，将其负载TiO2用于氨氮废水的处理，可以解决因二氧化钛的强亲水性而引起的粉体催化剂难以回收和竹炭水处理剂不能有效处理氨氮废水的问题，将为氨氮废水的深度处理提供新的方法和工艺，具有十分重要的理论意义和应用价值。本项目的创新之处在于：使用竹炭负载纳米二氧化钛制备新型废水处理剂的理论和工艺。前人在二氧化钛的负载方面已经进行了一系列的研究，但是用竹炭负载纳米二氧化钛废水处理材料的制备研究尚未见报道。前人对氨氮废水的光催化氧化进行了部分研究，但使用竹炭竹炭负载纳米TiO2废水处理剂对氨氮废水进行光催化氧化处理尚未见报道。 2预计突破的难题兼具吸附、光催化等功能、可以高效低耗深度处理氨氮废水的竹炭负载纳米TiO2材料的制备工艺及其理论基础。3.研究结果预期成果（如是否发表论文、是否申请专利）、形式（包括是否有实物）及应用前景。发表学术论文12篇。4经费使用计划： 购买原材料费1500元，试制光催化处理废水设备费800元，测试分析费1500元，发表论文版面费1200元。合计：5000元四、审批情况1指导教师推荐意见： 本申请项目目的明确，叙述证据充分，又符合国家发展战略，具有重要现实意义。 同意推荐。指导教师签字： 年 月 日2学院专家委员会推荐意见：学院主管领导签名： 年 月 日（盖章）3学校专家委员会评审意见： 年 月 日（盖章）南昌航空大学大学生科技创新基金项目专家评审表（活页） 项目编号：项目名称竹炭负载纳米TiO2材料的制备及其处理氨氮废水的研究申请金额5000元项目类别小发明 小制作 小创作项目来源 自主立题 教师指导选题1研究目的及意义：随着城市人口的增长和工农业的发展，由各种废水排放引起的水体富营养化问题日益突出。我国的某些湖泊已经出现不同程度的富营养化。控制富营养化，必须控制氮磷的排放。废水中氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。当污水中的有机物被降解时，其中的有机氮降解为氨氮。经活性污泥法处理的污水有相当量的氨氮排入水体，可以导致富营养化。因此，对废水进行二级处理时必须进行脱氮处理。目前工业上采用的主要方法有化学法和生物法两类。化学法有吹脱法和折点加氯法，吹脱法将水中的氨氮排放到大气中，对大气造成污染，而且这些氨氮还会回到水体中；折点加氯法虽然可以有效的去除氨氮，但是氯的存在对人体是有害的。生物法脱氮的周期较长且对处理温度、时间有较高的要求。因此，研究开发新的氨氮深度处理方法和理论有非常重要的意义。2.国内外研究现状：自SN Frank等开拓性地将半导体材料用于光催化降解污染物取得了突破性的进展以来，光催化技术用于环境污染物的降解受到了国内外学者的广泛重视。目前要求对空气及水污染治理过程本身也应该是环保的，即不能产生对人体和环境有害的副产品。光催化的作用过程就具有“绿色”特征，如光催化剂的安全性，在室温或接近室温的温度下起作用，氧气的最终来源是分子态氧等（比H2O2和O3等还弱的氧化剂）。在已被研究的催化剂中，TiO2被认为是较为理想的。但是，由于TiO2的强亲水性，在处理废水后难以回收，需要将其负载于一定的载体上或者制备成膜。经过载体负载或成膜处理后，催化剂的活性有所下降。常用的TiO2的光化学性能虽然较稳定，但其带隙能较大，达3.2eV，要在小于或等于387.5nm的紫外光下才能被激发。另外一个影响半导体光催化剂催化效率的重要因素是光生电子和光生空穴的复合。由于电子和空穴极易复合，势必会降低高活性氧化基团的产率，导致催化剂催化能力的下降。因此，必须对催化剂进行改性。一般可采用两种方法进行改性：一种是对催化剂进行表面修饰；另一种是把催化剂制成纳米材料。TiO2催化剂经过适当的表面修饰能提高光生电子-空穴对的分离效率，降低其复合几率，有时还可拓宽其光激发响应范围，使其由短波区向长波方向移动甚至达到可见光区，为利用太阳能提供了一个有效的途径。TiO2催化剂的表面修饰主要有贵金属沉积、过渡金属离子掺杂、半导体复合、表面预处理、表面光敏化等。近年来，人们对超微颗粒特别是对纳米TiO2光催化剂的研究日益增多，国内也开展了许多研究。余锡宾等用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法制备了粒径为1020nm左右的TiO2纳米颗粒，并详细介绍了TiO2纳米微粒的制备及其催化活性，以及TiO2纳米微粒尺寸效应与吸收特性的关系。霍爱群等用异丙醇钛酸酯-水-醇体系制备纳米TiO2，降解废水中的阿特拉津，降解率高达98.3%。同时，其采用Sol-Gel法制出无机非整比TiO2-x膜，经过可控气氛热处理后，可在膜表面形成较多亚稳相氧化空位缺陷，为催化表面提供了更多的吸附中心和反应活性位，因而表现出更高的催化反应活性。高濂等研究了纳米晶金红石相的光催化活性，发现量子尺寸的金红石比相同尺度的锐钛矿相二氧化钛具有更高的降解苯酚活性；他们还使用TiO2纳米晶光催化降解铬酸根离子，结果表明锐钛矿型的催化活性最好。余家国等用溶胶凝胶法制备了锐钛矿型纳米TiO2粉体，经光降解甲基橙水溶液证明较普通TiO2的活性有很大提高。为了提高二氧化钛的光催化活性，许多研究者对其进行了改性研究。在其表面沉积贵金属被认为是一种有效的方法，如Ag、Ir、Au、Ru、Pd等共沉积修饰的也有报道，这些金属的沉积都在不同程度上提高了TiO2催化活性，但以Pt的修饰效果为最好。半导体中掺杂金属离子不仅可能提高半导体的光催化作用，还可能使半导体的吸收波长范围扩展至可见光区域。王剑波用Ce掺杂二氧化钛粉用于降解DDNP废水，在可见光照射的前提下取得了很好的效果。另外，半导体复合、表面光敏化、强酸修饰、热处理也是提高二氧化钛的光催化活性的有效手段。施利毅等制备了SnO2TiO2复合颗粒，其光催化活性较纯TiO2颗粒有较大提高；并认为这是因为不同能级半导体之间光生载流子的运输和分离。由于二氧化钛具有很强的亲水性，而且，超细二氧化钛容易团聚。所以，用于废水处理时，必须将其负载于一定的载体上才能使用。负载型TiO2的制备方法主要有溶胶凝胶法、CVD法、偶联法、电泳法、自组装成膜法、水解沉淀反应法、反应（磁控）溅射法以及脉冲激光沉积法等等。颜秀茹等制备出TiO2/SiO2复合材料并将其应用于降解敌敌畏，结果表明，该材料的光催化敌敌畏的效果优于纯二氧化钛粉末。戴清等研究了载钛中孔二氧化硅分子筛的光催化性能，结果表明，在相同钛含量的情况下，复合材料的光催化性能随着载体孔径的增大而有所提高。美国专利US07223849公开了一种使用二氧化硅二氧化钛共凝胶或二氧化硅二氧化钛铬三凝胶法制备一种催化剂用于聚合催化剂。刘鸿等使用泡沫镍负载二氧化钛用于光催化降解磺基水杨酸。日本的石原产业、堞化学公司等二氧化钛生产公司将二氧化钛负载于活性炭、陶瓷球担载体等载体上制备出各种产品应用于抗菌、防污、水处理和除臭等环境保护领域。王俭将二氧化钛负载于多孔玻璃上应用于低浓度含酚废水的处理，取得较好的效果。综上所述，二氧化钛可以被负载于玻璃、陶瓷片、粉体或者制备成膜。但是这样得出的产品却限制了二氧化钛的作用面积和分散性。因此，寻找一种既能够有效负载纳米二氧化钛粉体、化学性质稳定，又可以方便地分散于水中、同时方便地回收的载体，有着重要的意义。竹炭具有质轻、多孔、相对密度小。还具有独特的微孔结构，比表面积大，堆密度小，孔体积大，因此，在水溶液中可用于吸附金属离子、有机化合物、高分子聚合物，还可以吸附蛋白质等等。利用竹炭处理废水是利用其吸附性能，把污染物从水中转移出来，有害的物质并没有去除。因此，开发彻底去除有害物质或者回收利用有害物质的工艺和技术有着重要的意义。综上所述，制备用竹炭负载的纳米TiO2材料，在用于深度处理氨氮废水时，可以综合竹炭的吸附功能、纳米TiO2颗粒的大比表面积和高比表面能的性能和高催化活性、抗菌等优异性能。另外，竹炭来源广、价格便宜，使得该新型材料的制造成本低廉，因此，应用前景广阔。由于竹炭具有强的吸附性能，可以吸附水中小的固体颗粒、重金属离子和大部分有机污染物；二氧化钛有抗菌性能，因此，这种水处理剂还具有杀菌性能和进一步净化水质的功能。据2000年中国环境状况公报，2000年，我国工业和城市生活污水排放总量为415亿吨，其中工业废水排放量为194亿吨，城市生活污水排放量为221亿吨。据统计，我国近年来氨氮的排放量为129万吨左右，并且逐年上升。适时研究开发“绿色”的去除氨氮的理论和工艺技术，对于解决我国日益严重的水污染和缺水的问题有着十分重要的意义。3研究内容、方法、特色和创新：研究内容：竹炭表面负载纳米TiO2材料的制备工艺技术及其反应过程热力学和动力学分析；用竹炭负载纳米TiO2材料深度处理氨氮废水的实验以及反应过程热力学和动力学分析。方法：竹炭负载纳米TiO2材料的制备拟采用化学沉淀法制备竹炭负载纳米TiO2材料，采用四氯化钛溶液为母液，将竹炭分散于母液中，然后在一定的条件下水解四氯化钛溶液，反应后将其过滤、烘干、真空煅烧而得到竹炭负载纳米TiO2光催化剂。影响竹炭负载纳米TiO2光催化剂的制备效果的因素有母液浓度、pH值、反应温度、水解速度、反应时间等因素，使用正交试验法对各主要影响因素进行研究并获得制备不同负载率的竹炭负载纳米TiO2材料的最优工艺参数。该试验研究的关键问题是如何使生成的纳米二氧化钛粉体为纳米级且均匀分布在竹炭的表面，如何控制纳米二氧化钛的晶型（锐钛矿型或者金红石型）。解决二氧化钛粒度的办法是通过试验研究控制二氧化钛生成反应的条件（母液浓度、反应温度、pH值、水解速度等等）。解决二氧化钛晶型的办法是通过试验确定合适的煅烧方式和恒温时间。竹炭负载纳米TiO2材料性质与性能的表征及反应过程动力学和热力学分析在制备出硅藻土负载纳米TiO2材料的基础上，对材料进行原子力显微镜、透射电子显微镜、化学成分以及表面二氧化钛颗粒的晶型等分析，以表征竹炭负载纳米TiO2光催化剂的性质，同时根据后面的处理氨氮废水的效果对该材料进行催化活性分析和表征。竹炭负载纳米TiO2材料深度处理氨氮废水的研究拟在实验室自制竹炭负载纳米TiO2处理废水实验装置，进行竹炭负载纳米TiO2深度处理氨氮废水的研究。对竹炭/TiO2的光催化剂、不同初始氨氮浓度、不同光强度的条件下氨氮的去除率进行研究，考察所制备的光催化材料的催化活性，寻求竹炭负载纳米TiO2光催化剂深度处理氨氮废水的最优工艺参数。特色和创新：特色和创新：使用竹炭负载纳米TiO2粉制备新型废水处理材料，是一个全新的课题，前人尚未进行系统的研究。竹炭本身是一种性能独特的吸附材料且处理废水后容易与水分离，将其负载TiO2用于氨氮废水的处理，可以解决因二氧化钛的强亲水性而引起的粉体催化剂难以回收和竹炭水处理剂不能有效处理氨氮废水的问题，将为氨氮废水的深度处理提供新的方法和工艺，具有十分重要的理论意义和应用价值。本项目的创新之处在于：使用竹炭负载纳米二氧化钛制备新型废水处理剂的理论和工艺。前人在二氧化钛的负载方面已经进行了一系列的研究，但是用竹炭负载纳米二氧化钛废水处理材料的制备研究尚未见报道。前人对氨氮废水的光催化氧化进行了部分研究，但使用竹炭竹炭负载纳米TiO2废水处理剂对氨氮废水进行光催化氧化处理尚未见报道。 4预计突破的难题：兼具吸附、光催化等功能、可以高效低耗深度处理氨氮废水的竹炭负载纳米TiO2材料的制备工艺及其理论基础。5 研究结果预期成果（如是否发表论文、是否申请专利）、形式（包括是否有实物）及应用前景：发表学术论文12篇。6研究进度及安排：2010年5月-12月： 进行竹炭负载纳米TiO2材料的制备工艺试验和理论基础研究；竹炭负载纳米TiO2材料性质与性能的表征研究。 2011年1月-3