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(环境科学与工程专业论文)新型可见光响应纳米光催化剂的研制及其应用.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
东华大学博士学位论文 摘耍 体( 非t i 0 2 基) 系列。详细表征了其结构、形貌、光吸收特性和表面 物理化学性质,研究了光催化剂催化活性所受制备工艺和反应条件 的影响,并选取染料废水一活性艳蓝1 9 和酸性蓝6 2 ,抗生素类药 物一磺胺嘧啶和金霉素作为目标物,以含有目标物的实际水源水为 研究对象,在模拟太阳光下,研究水环境中污染物的光催化反应的 影响因素和动力学规律,探讨了光催化剂降解机理和过程。通过上 述研究,本论文取得了一些有意义的成果和有用的结论,为有机污 染物的光催化降解应用提供了依据。本论文研究主要内容和成果如 下所述: 1 镧、碘共掺t i 0 2 纳米复合光催化剂的制备和表征 采用沉淀一浸渍法合成了镧、碘共掺t i 0 2 纳米复合光催化剂, 并通过x i 、b e t 、t e m 、x p s 和t g d s c 等手段对其进行表征, x r d ,t e m 和b e t 的测试结果表明相对于单一镧或碘掺杂t i 0 2 纳米光催化剂而言,在3 5 0 下焙烧2h 制得的l a i t i 0 2 纳米光催 化剂粒径较小且比表面积较大。同时,测试表明元素离子掺杂t i 0 2 在一定程度上能够抑制晶体的生长和团聚,本实验中稀土元素镧的 最佳理论掺杂浓度为1 5 ,通过镧、碘的共掺使得抑制作用变得 更强。通过x p s 光谱可以断定所制备的掺杂催化剂中t i 元素主要 以t i 4 + 存在,一部分1 5 + 进入晶格中取代了t i 4 + ,l a 3 + 主要以l a 2 0 3 的形式富集在t i 0 2 的表面,l a 2 0 3 覆盖在t i 0 2 的表面可使光生电子 和空穴进一步分离。同时,研究发现在热处理过程中由于一部分稀 。 土离子进入t i 0 2 的晶格中取代部分t i 4 + 而导致局部的晶格畸变,并 东华大学博士学位论文摘要 抑制了晶粒的增长。另外,根据紫外可见光漫反射光谱可以得出, 相比未掺杂改性的纯t i 0 2 而言,光催化剂的最大吸收边在经掺杂 改性后都向可见光区产生不同程度红移,但并没有削弱在紫外光区 的吸收,此发现为光催化剂在模拟日光下有效进行光催化氧化反应 提供了新的视野。 2 l a i t i 0 2 纳米复合光催化剂光催化活性研究 以氙灯为光源,以活性艳蓝1 9 和磺胺嘧啶为模拟废水,对镧、 碘掺杂t i 0 2 纳米复合光催化剂的活性进行评价。光催化降解实验表 明,于3 5 0 下焙烧制备的l a i t i 0 2 纳米催化剂在模拟太阳光照下 能够有效地降解活性艳蓝1 9 染料废水和磺胺嘧啶类药物废水,并且 两者的降解反应在一定浓度范围内,均符合表观一级反应动力学, 可以证明l “i t i 0 2 纳米粒子具有优越的可见光催化能力。 在模拟太阳光照射下,当活性艳蓝1 9 初始浓度为5 0m g l ,溶液 p h 值范围在3 7 ,催化剂投加量为1 o l 时,光照8 0m i n ,l a i t i 0 2 纳米光催化剂对活性艳蓝1 9 的降解效率达到9 8 6 ,t o c 基本去除 完全,显示了较好的催化活性。在不同光源下催化实验表明,在模 拟太阳光体系中活性艳蓝1 9 的降解能力要由于其他体系,可能的原 因是反应中间产物被吸附在催化剂表面,大量累积会导致催化剂中 毒,而模拟太阳光中的紫外光部分对其具有比较好的矿化作用,从 而避免了反应中间产物的累积。光催化降解实际工业印染废水的试 验表明:l a i t i 0 2 纳米光催化剂在一定的反应时间内,能够完全去 除印染废水的色度,同时也会降低c o d 。,值,达到9 0 左右。 t 东华大学博士学位论文 摘要 l a i t i 0 2 纳米光催化剂在模拟太阳光下也显示了较好的光催化 降解磺胺嘧啶的能力,模拟太阳光照射9 0m i n 后,s d 降解率可达到 近9 0 ,证明l a i t i 0 2 光催化氧化能够有效降解水中的低浓度磺胺 类药物。l a i t i 0 2 纳米粒子对s d 的降解机理是在羟基自由基的作用 下进行的,活性0 h 攻击s d 的s n 键以及c s 键,脱去o = s = 0 ,同时 分子结构发生重组,生成4 一( 2 一氨基吡啶一1 ( 2 h ) - 基) 苯胺,然后再通过 不同途径进一步矿化。经过多次使用后,l a i t i 0 2 纳米光催化剂仍 有较好的催化活性,预示着l a i t i 0 2 纳米催化剂工业化前景广阔。 3 纳米l a c u 0 s n 0 2 三元复合光催化剂的制备、表征及光催 化活性研究 作为一种n 型半导体,纳米s n 0 2 光学、电学及催化性能独特, 且晶体结构与金红石t i 0 2 相似。实验选用s n 0 2 与c u 0 和l a 2 0 3 复合, 采用条件温和、操作简便的共沉淀法合成了l a c u 0 s n 0 2 三元复合 纳米光催化剂。x r d 、b e t 、t e m 和u v - v i s 漫反射等手段测试表明 所制备催化剂的晶型、晶粒、对光的吸收性以及比表面积能都会受 到焙烧温度显著的影响。实验结果表明,催化剂的最佳热处理温度 为4 5 0 ,当在该温度下焙烧2 5h ,c u 0 与s n 0 2 摩尔比为1 :1 ,l a 的掺杂量为2 0 时,制得的l a c u 0 s n 0 2 纳米复合光催化剂颗粒粒 径较小、分布相对比较均匀,平均晶粒大小为1 5 4n m ,比表面为 1 1o 3 5m 2 g ,对可见光有一定的吸收,具有最高的光催化活性。以 氙灯为光源,以酸性蓝6 2 为模拟废水,对l a c u o s n 0 2 三元复合光 催化剂的活性进行评价。在模拟太阳光照射下,酸性蓝6 2 溶液废水 t v 东华大学博士学位论文 摘要 的降解反应速率常数随着溶液初始浓度的增加反而逐渐减小,并且 在一定浓度范围内,此反应符合表观一级反应动力学。反应当溶液 p h 值大小在5 3 5 左右,酸性蓝6 2 初始浓度为5 0m g l ,l a c u o s n 0 2 纳米复合光催化剂投加量为1 o l ,光照反应1 2 0m i n 后对酸性蓝6 2 溶液的降解率达到了9 7 7 ,明显高于在同等条件下p 2 5 的催化活 性。 4 纳米l a c u 0 一s n 0 2 复合光催化剂降解盐酸金霉素废水的光 催化研究 选取盐酸金霉素作为l “c u 0 s n 0 2 复合光催化剂光催化氧化 的对象,分析其光催化降解的可行性,采用实际水源水代替蒸馏水 配置一定浓度的盐酸金霉素溶液,进行光催化降解反应。考察了溶 液初始浓度、催化剂用量、溶液初始p h 值、不同光源等因素的最 佳条件,并且研究了添加氧化剂后对光催化降解效果的影响,并对 盐酸金霉素废水的反应动力学进行分析。结果显示,在光催化剂催 化降解盐酸金霉素的过程中,纳米l a c u 0 一s n 0 2 复合光催化剂表现 出较高地催化活性。对于初始浓度为5 0m g l 的金霉素溶液废水而 言,其最佳实验条件为l a c u o s n 0 2 的用量为1 5 l 、溶液的初始 p h 值为3 ,在模拟太阳光下反应1 2 0m i n ,c t c 降解率达到8 8 7 , c o d 、t o c 降解较为完全,显示了较为显著的可见光催化活性。 并且,光照反应4 0m i n 后b o d 5 c o d 0 3 ,明显改善了水质地可生 化性能。添加氧化剂可以提高盐酸四环素光催化降解的效果。当加 入浓度为3 0 0m g l 的h 2 0 2 时,反应时间可大大缩短。盐酸金霉素 v 东华大学博士学位论文 摘要 的光催化反应符合l a n g m u i r - h i n s h e l w o o d 一级动力学数学模型。在 光催化氧化过程中,金霉素发生了一系列反应,反应中间产物包括 多种多环化合物,这些多环化合物继续被光催化氧化会进一步开环 促使分子从大分子向小分子变化,进而被氧化分解,最后氧化成无 机物。结果表明l “c u o s n 0 2 光催化剂对盐酸金霉素废水具有显著 的可见光降解能力,有望进行实际应用。 关键词:光催化;模拟太阳光;共掺杂;纳米t i 0 2 ;稀土;非金属; 复合半导体;活性艳蓝1 9 ;磺胺嘧啶;酸性蓝6 2 ;盐酸金霉素 v i 东华大学博士学位论文abstract s t u d yo nt h ep r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no f n o v e ln a n o p h o t o c a t a l y s td r i v e n b yv i s i b l el i g h t a b s t r a c t w o r l d w i d ee n e r g yr e s o u r c ec r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r eb e c o m i n gm o r es e v e r e w i t he a c hp a s s i n gd a y i nt h e2 1s tc e n t u r y ,e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sc a u s e db yn o x i o u sa n d n o n b i o d e g r a d a b l eo r g a n i cp o l l u t i o n ss u c h a sd y e sa n dp p c p sh a v ed e e p l ya f f e c t e dt h e s u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g s s u c hp o l l u t i o ni sd i f f i c u l tt os o l v ew i t h t r a d i t i o n a le n v i r o n m e n tt e c h n o l o g y h o we f 艳c t i v eu s eo fs u n l i g h tt os o l v ee n v i r o n m e n t p 0 1 1 u t i o np r o b l e m sh a sb e c o m et h e f o c u st ot h ew o r l d w i t ht h e p u b l i cc o n c e mf o r e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si n c r e a s e d ,n o v e lt r e a t m e n tm e t h o d sb e i n gp r o m o t e da n dd e v e l o p e d p h o t o c a t a l y s i sh a sg a i n e dag r e a td e a lo fa t t e n t i o ni nt h en e l do fp o l l u t a n td e 铲a d a t i o n p h o t o c a t a l ”i ct e c h n o l o g y ,a na d v a n c e do x i d a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ,i sag r e e nu t i l i z a t i o no fs o l a r e n e r g y s t u d i e sh a v ep r o v e nt h a tp h o t o c a t a l y s i so x i d a t i o nt e c h n o l o g yi s a b l et ot r e a tm a n y k i n d so fo r g a n i cp o l l u t a n t s i nr e c :n ty e a r s ,m a n yr e s e a r c h e r sh a v ef o c u s e do nm o d i n e dn a n o t i t a n i u md i o x i d ea n db i n a r yo rt e r n a r yc o m p o u n dp h o t o c a t a l y s t s ,b e c a u s eo fe x t e n d i n gt h e p h o t o r e s p o n s er a n g e aa n di n c r e a s i n gt h ee f 五c i e n c yo fc h a r g es e p a r a t i o n w ea r em o t i v a t e dt ow o r ki nt h i sd i r e c t i o ni nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n ,a n ds u m m a r i z e d t h em e c h a n i s ma n di n n u e n c i n gf a c t o r so fp h o t o c a t a l y s i st e c h n i q u e s ,a n dr e v i e w e dt h es t u d y o nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm o d i f i e dn a n o t i t a n i u md i o x i d ea n dc o u p l e do x i d e s e m i c o n d u c t o r sv i s i b l e l i g h t - a c t i v a t e dp h o t o c a t a l y s t s a sw e l la st r e a t m e n te f f e c to f p h o t o c a t a l y s i so fd y ea n da n t i b i o t i cw a s t e w a t e ra r ei 1 1 u s t r a t e di nd e t a i l s b a s e do nas u m c i e n tu n d e r s t a n d i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo r g a n i cp o l l u t i o n a n d p h o t o c a t a l y s ts p e c i a l t y , t w os e r i e so f n o v e l n a n o c o m p o s i t ep h o t o c a t a l y s t s a r e s u c c e s s f u l l yp r e p a r e du s i n gs i m p l em e t h o d s o n et y p ec o m p r i s e s r a r ee a r t ha n dn o n m e t a l 东华大学博士学位论文 a b s t r a c t e l e m e n t sc o d o p e dt i 0 2p h o t o c a t a l y s t ,w h e r e a st h eo t h e rc o m p r i s e st e r n a r yn a n o c o m p o s i t e p h o t o c a t a l y s t s s u b s e q u e n t l y , t h ee f f e c t so fp h o t o c a t a l y s t ss y n t h e s i sa n dr e a c t i o nc o n d i t i o n s o np h o t o c a t a l ”i ca c t i v i t ya r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d d y ew a s t e w a t e r ( r e a c t i v eb l u e19a n d a c i db l u e6 2 ) a n da n t i b i o t i cw a s t e w a t e r s u l f a d i a z i n e ( s d ) a n dc h l o r t e t r a c y c l i n e ( c t c ) ,t h e t a r g e tc o m p o u n d si ns o u r c ew a t e ra n dt h em o s tw i d e i yu s e da n t i b i o t i c s ,r e s p e c t i v e l y ,h a v e b e e nc h o s e na st h es t u d ys a m p l e s t h ee f 托c t so fm a i nf a c t o r so fp h o t o c h e m i c a ld e 乒a d a t i o n , d e 斟a d a t i o nm e c h a n i s m s ,k i n e t i c s ,a n dr e a c t i o np a t h w a y so ft h ep r o c e s s e su n d e rs i m u l a t e d s u n l i g h t i r r a d i a t i o na r e a m p l y s t u d i e d s o m e i m p o r t a n tv a l u a b l ea c h i e v e m e n t sa n d c o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e di nt h ec u r r e n tt h e s i s ,o f f 色r i n gt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l g u i d e l i n e sw i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sf o rt h ed e 黟a d a t i o no fo r g a n i cp o l l u t a m s t h ec u r r e n t d i s s e r t a t i o nc o n t a i n st h ef b l l o w i n gm a j o rp a r t s : 1 p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f1 a n t h a n u ma n di o d i n ec o - d o p e dt i 0 2 p h o t o c a t a l y s t t h en o v e l v i s i b l e - l i g h t a c t i v a t e d l a i t i 0 2 n a n o - c o m p o s i t i o np h o t o c a t a i y s t w a s s u c c e s s f u l l ys y n t h 肇i z e du s i n gp r e c i p i t a t i o n d i p p i n gm e t h o d ,a n dc h a r a c t e r i z e db yx r d ,b e t , t e m ,x p s ,t g - d s c ,a n du v - v i sd r s t h ec h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t so fx r d ,t e m ,a n db e t i n d i c a t et h a tt h el a i t i 0 2p h o t o c a t a l y s tc a l c i n e da t35 0 。c 3 r2hr e s u l t e di nb i g g e rb e t s u r f a c ea r e aa n ds m a l l e rc r y s t a ls i z e ,i nc o m p a r i s o nw i t hl “t i 0 2o ri t i 0 2p h o t o c a t a l y s t s c h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t sa l s or e v e a lt h a tt h el a n t h a n u ma n di o d i n ec o d o d e dc a nh i n d e rt h e a g g r e g a t i o na n dg r o w t ho ft i 0 2p a n i c l e s ,w h i c hc a u s et h ed e c r e a s ei np a r t i c l es i z e sa n dt h e i n c r e a s ei n t e m a ls u r f a c ea r e a s t h el ao p t i m a ld o p i n gc o n c e n t r a t i o ni s1 5 i nt h ep r e s e n t d i s s e r t a t i o n i na d d i t i o n ,t h ex p ss p e c t r ai n d i c a t et h a tt ia t o m se x i s ti nt h ef o r mo ft i 4 + s t a t e a n dt h a tp a no f1 5 + r e p l a c e dt i 4 + o ft h ep r e p a r e dp h o t o c a t a l y s t s l a 2 0 3w a sc o n v e n e do nt h e s u r f a c eo fn a n ot i 0 2p a 九i c l e s ,r e s u l t i n gi nt h es e p a r a t i o no fe l e c t r o n sa n dh o l e sa n ds t r u c t u r a l d e f o r m a t i o no f1 - 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