环境工程本科论文_掺杂铈铋催化剂制备条件影响探究.doc

掺杂铈铋催化剂制备条件影响探究 吉林大学环境与资源学院摘 要光催化技术是一种理想的环境污染治理技术，近些年来以半导体氧化物为光催化剂的多相光催化技术已成为国际上最为活跃的研究领域之一。寻找到更高效的光催化剂是我们努力的目标，一方面要通过实验探索更多的未知光催化剂，另一方面也要对已有的光催化剂进行修饰改性。寻找未知光催化剂相对催化剂进行修饰改性较困难，因而对已有催化剂进行修饰改性工作就显得尤为重要。溶胶-凝胶法是近年来制备纳米光催化剂采用较为普遍的方法。该方法制得的催化剂具有粉末分布均匀，纯度高，分散性好，煅烧温度低，副反应少，工艺操作简单，反应条件易于控制等优点。本研究以Bi2O3为主要原料，以EDTA+氨水为溶剂，以甲基橙溶液为目标降解污染物，采用溶胶-凝胶法通过掺杂稀土元素、离子液体制备新型Bi2O3光催化剂。静态实验部分研究单独Bi2O3、Bi2O3+离子液体、Bi2O3+稀土元素、Bi2O3+离子液体+稀土元素，分别在紫外光、可见光条件下对甲基橙溶液的降解效率；研究在不同的固体液体比（g/L）、离子液体摩尔浓度（mol/L）、稀土与铋摩尔比、水解温度、灼烧时间、光照强度条件下对甲基橙溶液的降解效率；通过紫外-可见双光束分光光度计测定其吸光度，来表征纳米催化剂对紫外光和可见光的吸收性能。动态实验部分研究曝气条件对光催化剂催化性能的影响。实验的研究结果主要有：I静态实验部分：1.在紫外光条件下，掺杂离子液体+稀土元素的新型光催化剂对甲基橙溶液的降解效率最高；2.在可见光条件下，掺杂离子液体+稀土元素的新型光催化剂对甲基橙溶液的降解效率最高；3.最佳的水解温度为60、最佳的离子液体摩尔比为0.0025、最佳的稀土与铋摩尔比为0.124，最佳的灼烧温度为400；4.催化剂对甲基橙溶液的去除率随灼烧时间增加而升高，灼烧时间为5h时去除率已达96.09%；去除率随光照强度的增加而升高，光强为150w时去除率已达99.71%；5.通过紫外-可见漫反射光谱测定光催化剂的光吸收特性，结果表明新型光催化剂在很宽的波长范围内对光具有吸收特性。II动态实验部分：1.曝气条件下，催化剂浓度为5g/L、曝气时间为100min时对甲基橙溶液的去除效果最好；2.曝气条件下，光照强度为150w、曝气时间为100min时对甲基橙溶液的去除效果最好；3.曝气条件下，甲基橙溶液浓度为10mg/L、曝气时间为100min时对甲基橙溶液的去除效果最好。关键词：掺杂；铋催化剂；制备条件；探究AbstractPhoto catalysis technology is an ideal technology for remedying environmental pollution, and heterogeneous photo catalysis based on semiconductor nano-oxides has become one of the most active research fields in recent years. Looking for more efficient photo catalyst is the goal of our efforts. On one hand, we should experiment more unknown light catalyst, on the other hand, to make modification to the known photo catalyst. To find unknown photo catalyst is relatively more difficult than modification, so the modification work to known catalyst is particularly important.Sol-gel method is widely used in preparation for nano-light catalyst in recent years. This method has many advantages: The catalyst powder distribution uniformity, high purity, good dispersion, low calcinations temperature, less side reaction, simple process, easy control of reaction etc.In this paper, the goal was to prepare for new Bi2O3 light catalyst in sol-gel method by doping rare earth elements and ionic liquid. Static experiment：The main raw material- Bi2O3, the solvent was EDTA + ammonia water, the objective degradation pollutants- methyl orange solution. To study the degradation efficiency to methyl orange solution in the ultraviolet and visible light conditions by single of Bi2O3, Bi2O3 + ion liquid, Bi2O3+rare earth elements, Bi2O3+ ionic liquid + rare earth elements; and the degradation efficiency to methyl orange solution on different conditions of solid liquid ratio (g / L), ionic liquid molar concentration (mol / L), rare earth elements and bismuth mole ratio, hydrolysis temperature, calcinations time and intensity of illumination. To study the characterization of nano-catalyst for light absorption properties by using the ultraviolet -visible double beam spectrophotometer to measure the absorbance. The catalytic effect under aeration conditions was studied in dynamic experiment.The mainly experimental results were as follows:I. Static experiment:1. The new light catalyst of doped ionic liquid +rare earth element had the highest degradation efficiency to methyl orange solution on UV light conditions;2. The new light catalyst of doped ionic liquid +rare earth element had the highest degradation efficiency to methyl orange solution on visible light conditions;3. The optimal hydrolysis temperature was 60, the best of the ionic liquid molar ratio was 0.0025, the best of rare earth with bismuth molar ratio was 0.124, the optimum burning temperature was 400 degrees;4. the removal rate of Catalyst to methyl orange solution increased with the burning time, the removal rate reached 96.09%when the burning time reached to 5h; the removal rate increased with increasing light intensity, the removal rate reached 99.71% when the intensity reached150w ;5. The results showed that the new light catalyst had the absorption characteristics in a wide wavelength range of light by the UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy for determination of the light absorption characteristics of the new catalysts.II. Dynamic experiment:1. Under aeration conditions, the best removal effect was when the catalyst concentration was5g / L and aeration time of 100mins;2. Under aeration conditions, the best removal effect was when the light intensity was150W and aeration time of 100mins;3. Under aeration conditions, the best removal effect was when the methyl orange solution concentration was 10mg / L and aeration time of 100mins.Keywords: Doping；Bismuth catalyst；Preparation conditions；Exploration目 录摘 要1Abstract3目 录6第1章 绪论81.1光催化技术的特点81.2半导体光催化剂81.2.1半导体光催化剂的类型81.2.2半导体光催化剂的特点91.3 Bi2O3光催化剂的性质91.4稀土掺杂催化剂的制备方法101.4.1溶胶-凝胶法101.4.2浸渍法111.4.3水热合成法111.4.4均匀沉淀法111.4.5直接吸附法121.5本论文研究的目的、意义和内容121.5.1光催化反应的发展方向121.5.2本研究的目的、意义及内容13第2章 实验材料及方法152.1实验材料、试剂152.2实验仪器152.3实验方法152.3.1甲基橙溶液吸光度测定方法152.3.2实验操作的流程图162.3.3各种因素对催化剂催化效率影响的试验方法17第3章 结果与讨论203.1各种因素对催化剂催化性能的影响203.1.1掺杂条件对催化剂降解效率的影响203.1.2水解温度条件对催化剂降解效率的影响213.1.3光照强度条件对催化剂降解效率的影响223.1.4灼烧时间条件对催化剂降解效率的影响233.1.5灼烧温度条件对催化剂降解效率的影响243.1.6稀土元素投加量条件对催化剂降解效率的影响253.1.7离子液体投加量条件对催化剂降解效率的影响263.2紫外-可见漫反射测定273.3曝气条件对催化剂性能的影响283.3.1不同浓度催化剂在曝气条件下去除率随时间变化283.3.2在曝气和不同光照强度条件下催化剂去除率随时间变化293.3.3在曝气和不同甲基橙浓度条件下催化剂去除率随时间变化30第四章 结论与建议314.1实验结论314.2建议32致 谢33参考文献34第1章 绪论进入21世纪，环境问题成为制约经济快速发展的阻力越来越大，世界各国对此都有强烈的意识，传统的经济发展模式需要创新，同时环境问题的治理也需要不断地创新，因而寻找超越传统环境污染治理方法的理想的环境污染治理技术已成为很多致力于环保研究科研工作者的科研目标。以半导体氧化物为催化剂，利用太阳光作为光照条件，将环境污染物进行氧化分解的环境污染治理技术是一种比较理想的环境治理技术。1.1光催化技术的特点光催化技术因其具有独特的优势而成为一种比较理想的污染治理技术，其独特的优势包括1：（1）可以在室温条件下进行深度反应，能把有机物完全氧化成水、二氧化碳和无害的盐类，且反应装置简单；（2）可以直接利用太阳光作为光源来活化催化剂，从能源利用角度来讲，这是光催化技术更具有开发的动力和应用的潜力；（3）可以驱动氧化-还原反应的进行。（4）光催化氧化技术对污染有机物无选择性，催化时间短，几乎能快速降解任何有机物。光催化因具有上述的独特的优势，使其将在环境问题治理方面应用广泛，并且在水处理、空气净化、自清洁去污、防雾防烟、抗菌消毒等方面也将会拥有巨大的经济效益、环境效益和社会效益2。1.2半导体光催化剂1.2.1半导体光催化剂的类型半导体光催化剂分为以下类型：（1）过渡金属氧化物：ZnO、NiO、WO3、Cr2O3、MnO2、MoO3、V2O5、Fe3O4、CuO等；（2）过渡金属复合氧化物：V2O5-MoO3、MoO3-Bi2O3等；（3）某些金属硫化物：如MoS2、CoS2等1.2.2半导体光催化剂的特点半导体光催化剂能加速以电子转移为特征的氧化、加氢和脱氢等反应。与金属催化剂一样亦是氧化还原型催化剂，其催化性能与电子因素和晶格结构有关。具有以下优点：（1）在光、热、杂质等的作用下，性能会发生明显的变化，这有利于催化剂性能的调变；（2）半导体光催化剂的熔点高，故热稳定性好；（3）较金属催化剂的抗毒能力强。1.3 Bi2O3光催化剂的性质铋（4f145d106s26p3），斜方晶系金属，既具有金属键，又具有共价键，这种结构使其具有一系列特殊的物理化学特性。在室温条件下铋的化学性质稳定，熔点低，具有热胀冷缩的特性；金属铋可以与很多种其他金属合成易熔合金，合金的熔点比水沸点还低；研究表明，金属铋无毒性并且不会致癌。由于铋的一系列特殊性质，使其被广泛地应用于易熔合金、制药、半导体、电池等多个领域。铋金属是全球公认的安全无毒金属，这种“绿色金属”将随着人类环保意识的增强而将得到越来越广泛的应用。Bi2O3外观为黄色粉末，带隙宽度为2.8eV，其吸收波长较长的光，从而使其具有直接利用太阳光能的优势。它也是一种重要的功能材料，用途非常广泛，不仅是良好的玻璃添加剂、陶瓷着色剂、有机合成催化剂、核工程玻璃制造以及核反应堆的染料，还作为一种掺杂粉体材料在电子行业中发挥重要作用3。1.4稀土掺杂催化剂的制备方法稀土离子掺杂就是利用物理或化学方法，将稀土离子引入到氧化物催化剂晶格中，从而在其晶格中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，影响光生电子和空穴的运动状况、调整其分布状态或者改变氧化物催化剂的能带结构，最终导致氧化物催化剂的光催化活性发生改变。在稀土掺杂氧化物催化剂的制备方面，不同方法所制备的催化剂的形状、尺寸、表面结构等物化性质存在差异，各种方法的技术难度和制备成本也不尽相同，主要有以下几种45：1.4.1溶胶-凝胶法溶胶凝胶法67就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至亚纳米结构的材料。与其他方法相比溶胶-凝胶法具有很多独特的优点：（1）由于溶胶凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合；（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶-凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低；（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。溶胶-凝胶法也存在某些缺点：通常整个溶胶凝胶过程所需时间较长（主要指陈化时间），常需要几天或者几周；还有就是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。1.4.2浸渍法一般原理是通过毛细管压力使液体（活性组分）渗透到载体空隙内部；但如果有使用真空的话，那么内外压力差也是活性组分进入的一个因素。真空的好处可以清除孔里面的杂质和水分，因而相对能使更多的活性相进入，增加负载量。这类方法的优点：工艺简单、成本低廉；缺点是颗粒尺寸受到原料粒子的限制，金属离子在晶格内分布不均匀。1.4.3水热合成法水热合成是指温度为1001000 、压力为1MPa1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。该方法的优点：所得产物纯度高，分散性好、粒度易控制；缺点：该法要历经高温高压过程，对设备的材质和安全要求较严，并且产品成本高。1.4.4均匀沉淀法均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中能形成晶体的离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。通常加入的沉液剂, 不会立刻与被沉淀组分发生反应, 而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，克服了直接向溶液中加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。该法的特点是：以生成沉淀剂的速度来控制过饱和速度，从而控制离子的生成速度，制得的产品颗粒均匀，致密，便于过滤洗净，是目前工业化前景较好的一种方法。1.4.5直接吸附法该方法是将Bi2O3微粉浸渍在一定浓度的稀土离子盐溶液中，搅拌、过滤、干燥后作为样品进行实验。1.5本论文研究的目的、意义和内容1.5.1光催化反应的发展方向能源短缺、环境恶化问题是当今世界各国亟待解决的问题，光催化技术是一种具有广泛应用潜力的新型能源与环保技术。光催化技术与传统环境污染治理技术相比较：具有工艺简化、易操作、高效节能、无二次污染等诸多优点，对那些特殊难降解的污染物具有更突出的优越性，能使污染物完全矿化3。但是，目前阶段，这种技术仍主要处于实验室研究阶段，还没有完全实现工业化和商业化。探索并开发各种具有潜力的新型高效光催化剂是未来光催化剂研究的重要方向之一，不过要应用于实际生活中，还需要解决如下问题8：（1）目前，已制得的很多催化剂都存在一些共同的问题，比如：催化能力不高，对光量子利用效率不高，在可见光区范围容易失活等问题。因而，如何对已有光催化剂进行修饰改性以提高其光催化活性和效率，是一个很值得研究的问题。（2）大多数光催化剂都是粉体，催化污染物时，存在容易凝聚、不易回收等难题。因而，如何对催化剂进行固定和再生，如何有效负载光催化剂就是一个重要的研究方向。（3）目前来看，大多数催化剂的制备方法都需要较高温度、较复杂工艺和设备条件，制备成本比较高。因此，研究如何改良制备方法，能有效降低催化剂制备成本也是一个很有意义的研究方向。1.5.2本研究的目的、意义及内容王俊珍等人9用Bi2O3作为光催化剂，在紫外光照射下降解弱酸性蓝2BR和活性红紫X-2R两种目标污染物，结果发现这两种染料溶液在紫外和可见光谱范围内的吸收峰值都已消失，说明染料分子确已发生分解，是因为光催化反应破坏了他们的共轭发色基团，以及整个分子结构。崔玉民等人10 以Bi2O3作为光催化剂处理含亚硝酸盐废水，实验结果表明：当NO2-初始浓度为400.0mg/L，催化剂用量为0.050g/50mL，pH=3.7时，500w氙灯照射1h，其氧化率达到97%。高红等人11的实验结论也证实了Bi2O3具有较好的光催化性能。但是，从参阅更多的文献来看，单独利用Bi2O3作为催化剂进行试验的文献较少，可能是因为单独利用Bi2O3进行试验其光催化性并不是很好。并且，从对已有催化剂TiO2的研究来看，对已有催化剂TiO2进行修饰改性应用较多的方法之一就是利用稀土离子或离子液体对已有催化剂进行掺杂修饰改性，修饰改性后催化剂TiO2的催化性能显著提高1216。同时，我国是一个稀土大国，进一步开发稀土的潜能，并且拓宽其应用的范围，对稀土产业和高新技术产业的发展都有很大的益处17。离子液体作为一种新型绿色反应介质应用于催化化学中，它能提高和保持催化剂的活性、对应选择性和稳定性，并且使催化剂能够多次回收利用1820。但是，稀土离子投加量对光催化剂催化性能影响的研究很少；同时，离子液体的投加量对光催化剂催化性能的影响亦不是特别清楚；两者同时存在对光催化剂的影响就更不清楚了。因此稀土离子投加量、离子液体投加量以及两者共同存在对光催化剂催化性能影响的探究就显得尤为必要。另外，光催化剂的制备条件不同使其催化性能亦不同，这些因素包括水浴锅加热温度，马弗炉灼烧温度、灼烧时间，光照强度、曝气时间等条件的影响。因而，探究这些外界因素对光催化剂催化性能的影响并且寻找最佳条件实验就显得很有意义。基于以目的和意义，本研究以Bi2O3为主要原料，以EDTA氨缓冲溶液的为溶剂，以甲基橙溶液为目标降解污染物，通过掺杂不同量的稀土离子、离子液体，在不同的水浴锅加热温度，马弗炉灼烧温度、灼烧时间， 光照强度条件下，制备催化剂，并探究这些因素对光催化剂催化性能的影响。第2章 实验材料及方法2.1实验材料、试剂试剂：甲基橙溶液，EDTA氨缓冲溶液；材料：Bi2O3，曝气泵（SUPER PUMP，DB-78OB），已二酸四乙胺（分析纯，北京北化精细化学品有限责任公司），甲基橙（上海试剂三厂），稀土离子，离子液体；其中，称量Bi2O3粉体的质量为0.2330g；配制甲基橙溶液：浓度c=10mg/L，准确称量甲基橙固体5mg于烧杯中，再加入蒸馏水至完全溶解，然后转移至500mL容量瓶中，并定容直至刻度线；配制EDTA+氨缓冲溶液：称量14.61gEDTA固体于烧杯中，再加入18.75mL浓氨水和蒸馏水在电炉上加热至溶解，冷却直室温，然后转移到500mL容量瓶中，并定容直至刻度线。稀土元素、 曝气泵、离子液体；2.2实验仪器数显恒温水浴锅HH-4（国华电器有限公司）；箱式电阻炉SX2-10-12（沈阳市节能电炉厂）；电子天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司，Max：0.01g，Min：0.01g。型号：FA1004；紫外分光光度计：上海舜宇恒平科学仪器有限公司，型号：UV2600PC；实验避光装置：自己制作，利用完整矩形纸箱子（可乐箱子），外加一层黑色塑料袋子作为避光措施。2.3实验方法2.3.1甲基橙溶液吸光度测定方法先配制一定浓度的甲基橙溶液，并测定其标准曲线；取一定质量制得的催化剂与一定量的甲基橙溶液在光照条件下一段时间后测定反应后甲基橙溶液的吸光度值，在标准曲线上即可查的反应后甲基橙溶液的浓度，有公式： 式中：表示降解效率；表示甲基橙溶液的初始浓度；表示反应后甲基橙溶液的浓度。把用分光光度计测得的数据代入上公式即可以求得光催化剂对甲基橙溶液的降解效率。实验配制的甲基橙溶液的标准曲线如图1所示。图1甲基橙标准曲线图2.3.2实验操作的流程图实验操作的流程图如图2所示。Bi2O3+掺杂物质+EDTA的氨缓冲溶液于蒸发皿中。放在水浴锅上，玻璃棒搅拌，完全溶解，直至重新结晶。转移至坩埚中。箱式电阻炉（马弗炉）中灼烧。一部分保存，一部分于培养皿中加甲基橙溶液光照并测定其吸光度值。图2实验操作流程图其中，实验过程中，Bi2O3质量为0. 2330g，EDTA+氨水缓冲溶液的体积为20 ml。2.3.3各种因素对催化剂催化效率影响的试验方法将单独Bi2O3、Bi2O3+离子液体、Bi2O3+稀土元素、Bi2O3+离子液体+稀土元素四种混合物分别与EDTA的氨缓冲溶液制得的催化剂分别命名为A、B、C、D型催化剂。其中Bi2O3的质量都为0.2330g，离子液体为0.0025mol，稀土元素质量都为0.020g。再制取E、F两类催化剂，E类： Bi2O3 (0.2330g) + 离子液体(0.0025mol)+稀土元素；F类： Bi2O3 (0.233g) + 离子液体+稀土元素（n(稀土元素)/n(铋)=0.124）。2.3.3.1掺杂条件对催化剂降解效率影响的方法配制上述A、B、C、D型四种催化剂于四个蒸发皿中，水浴锅温度设置为60，采用溶胶凝胶法制取新型催化剂，取出催化剂晶体于不同坩埚内并捣碎成粉末状，放入箱式电阻炉内于400条件下灼烧5h。取出至室温后，并于150w光照强度条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。未注明的光照强度均为用不同功率的灯泡模拟的自然光。2.3.3.2水解温度条件对催化剂降解效率影响的方法配制上述D型催化剂四个分别放置于四个蒸发皿中，水浴锅温度分别设置为60、70、80、90，采用溶胶凝胶法制取新型催化剂，然后装入不同的坩埚内放在箱式电阻炉内于400条件下灼烧5h。取出至室温后，并于150w光照强度条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。2.3.3.3光照强度条件对催化剂降解效率影响的方法配制上述D型催化剂三个分别放置于三个蒸发皿中，水浴锅温度分别设置为60，采用溶胶凝胶法制取新型催化剂，装入不同坩埚放在箱式电阻炉内于400条件下灼烧5h。取出至室温后，并分别在15w、60w、150w条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。2.3.3.4灼烧时间条件对催化剂降解效率影响的方法配制上述D型催化剂四个分别放置于四个蒸发皿中，水浴锅温度分别设置为60，采用溶胶凝胶法制取新型催化剂，取出催化剂晶体于坩埚内并捣碎成粉末状，放入箱式电阻炉内于400条件下分别灼烧2h、3h、4h、5h。取出至室温后，并于150w光照强度条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。2.3.3.5灼烧温度条件对催化剂降解效率影响的方法配制上述D型催化剂四个分别放置于四个蒸发皿中，水浴锅温度分别设置为60，采用溶胶-凝胶法制取新型催化剂，装入坩埚放在箱式电阻炉内分别于300、400、500、600条件下灼烧5h。取出至室温后，并在150w条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。2.3.3.6稀土元素投加量条件对催化剂降解效率影响的方法配制E类催化剂，n（稀土）/n（铋）的比值分别为0.025、0.05、0.124、0.25，并分别命名为E1、E2、E3、E4。配制该4种催化剂于四个蒸发皿中，水浴锅温度分别设置为60，采用溶胶-凝胶法制取新型催化剂，装入坩埚放在箱式电阻炉内分别于400条件下灼烧5h。取出至室温后，并在150w条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。2.3.3.7离子液体投加量条件对催化剂降解效率影响的方法配制F类催化剂，离子液体的投加量分别为0.0025mol、0.0125mol、0.025mol、0.0375mol，并分别命名为F1、F2、F3、F4。配制该4种催化剂于四个蒸发皿中，水浴锅温度分别设置为60，采用溶胶-凝胶法制取新型催化剂，装入坩埚放在箱式电阻炉内分别于400条件下灼烧5h。取出至室温后，并在150w条件下测定其对甲基橙溶液的降解效率。第3章 结果与讨论3.1各种因素对催化剂催化性能的影响3.1.1掺杂条件对催化剂降解效率的影响掺杂条件对催化剂催化效率的影响如表1所示。表1掺杂条件对催化剂效率的影响对比单纯Bi2O3Bi2O3+离子液体Bi2O3+稀土离子Bi2O3+离子液体+稀土离子紫外光下去除率（%）31.7316.5343.7068.44可见光下去除率（%）3.4614.2662.5089.36注：表中所列数据除掺杂条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。由表1中数据可以看出：在其他条件为最优条件下，单纯Bi2O3在紫外光和可见光照射下，对甲基橙的去除率分别为31.73%和3.46%。只掺杂离子液体时：在紫外光和可见光下去除率分别为16.53%和14.26%；只掺杂稀土离子时：在紫外光和可见光下去除率分别为43.70%和62.50%；掺杂离子液体和稀土元素时：在紫外光和可见光下去除率分别为68.44%和89.36%。可见：掺杂离子液体和稀土元素条件对光催化剂的催化性能的影响较大，尤其在可见光条件下，掺杂作用对甲基橙溶液的降解效果更加突出。紫外光条件下，催化剂对甲基橙溶液的去除率的大小关系为：Bi2O3+离子液体单纯Bi2O3 Bi2O3+稀土离子 Bi2O3+离子液体+稀土离子；可见光条件下，催化剂对甲基橙溶液的去除率的大小关系为：单纯Bi2O3 Bi2O3+离子液体 Bi2O3+稀土离子 Bi2O3+离子液体+稀土离子；并且，掺杂离子液体、稀土离子条件与没有掺杂条件相比，在紫外光条件下催化性能得到提高，在可见光条件下催化性能得到更大的提高。同时，仅光照条件不同时，可见光条件与对应的紫外条件相比较：Bi2O3+稀土离子在可见光条件下催化性能增强43.02%；Bi2O3+离子液体+稀土离子在可见光条件下催化性能增强30.57%。由此可以说明：通过离子液体和稀土离子的掺杂，光催化剂的活性得到增强，更为重要的是其在可见光条件下的吸收能力增强，即增大了其对可见光的利用率。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳掺杂条件是：Bi2O3+离子液体+稀土离子。3.1.2水解温度条件对催化剂降解效率的影响水解温度条件对催化剂催化效率的影响的数据如表2所示。表2水解温度对催化剂效率的影响水解温度（）60708090去除率（%）91.7155.3783.2389.69注：表中所列数据除温度条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。图3水解温度去除率图由表2及图3可以看出，水解温度为从60升到70过程中，催化剂的催化性能骤降，从91.71%降为55.37%；从70升到90的过程中，催化剂的催化性能由低到高，但变化幅度相对平缓。即水解温度为60时，催化剂的催化性能最高91.71%，水解温度为70时，催化剂的催化性能为最低55.37%。由此可以说明：水解温度对催化剂的催化性能有较大的影响，适当的水解温度可以有效地提高催化剂的催化性能。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳水解温度条件是60。3.1.3光照强度条件对催化剂降解效率的影响光照强度条件对催化剂催化效率的影响的数据如表3所示。表3自然光光照强度（w）1560150去除率（%）81.1290.6199.71注：表中所列数据除光照强度条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。光照强度条件对催化剂降解效率的影响如图4所示。图4光照强度去除率图由表3和图4可以看出：随着横轴光照强度的增加，催化剂的催化性能也相应地增强，即光照强度由15w增大到150w，催化剂的催化效率效率由81.12%上升到99.71%。由此可以说明：光照强度对催化剂的催化性能有较大的影响，提高光照强度可以有效地提高催化剂的催化性能。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳光照强度条件是150w。3.1.4灼烧时间条件对催化剂降解效率的影响表4灼烧时间条件对催化剂催化效率的影响的数据灼烧时间（h）2345去除率（%）19.5789.6992.0696.09注：表中所列数据除灼烧时间条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。灼烧时间条件对催化剂催化效率的影响如图5所示。图5灼烧时间去除率图由表4和图5可以看出：灼烧时间为2h时，催化效率仅为19.57%，灼烧时间为3h时，效率亦提高到89.69%，并且随着时间上升到5h的过程中，效率提高的程度比较平缓。即灼烧时间由2h延长到5h，催化剂的催化效率由19.57%升高到96.09%。由此可以说明：灼烧时间对催化剂的催化性能有较大的影响，提高灼烧时间可以有效地提高催化剂的催化性能。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳灼烧时间条件是5h。3.1.5灼烧温度条件对催化剂降解效率的影响表5灼烧温度条件对催化剂催化效率的影响的数据灼烧温度（）300400500600去除率（%）55.3792.0694.1352.07注：表中所列数据除灼烧温度条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。灼烧温度条件对催化剂催化效率的影响如图6所示。图6灼烧温度去除率图由表5和图6可以看出：随着灼烧温度的增加，催化剂的催化性能先增加再降低。温度由300升高到600过程中，催化剂的催化性能相应由55.37%先升高到92.06%，最高94.13%，再降低到52.07%。由400升到500能量耗损较大，但对催化剂催化性能的提高并不是很明显，从环保角度考虑，取400为最佳灼烧温度。由此可以说明：灼烧温度对催化剂的催化性能有较大的影响，适当提高灼烧温度可以有效地提高催化剂的催化性能。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳灼烧温度条件是400。3.1.6稀土元素投加量条件对催化剂降解效率的影响稀土元素投加量条件对催化剂催化效率的影响如表6所示。表6n(稀土)/n(铋)0.0250.0500.1240.250去除率（%）75.1179.6696.0995.99注：表中所列数据除n(稀土)/n(铋)条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。图7 n(稀土)/n(铋)条件对催化剂催化效率的影响由表6和图7可以看出：随着n(稀土)/n(铋)比值的增加，催化剂的催化性能先增加再降低。n(稀土)/n(铋)比值由0.025增加到0.25过程中，催化剂的催化性能相应由75.11%先升高到96.09%，再降低到95.99%。由此可以说明：n(稀土)/n(铋)条件对催化剂的催化性能有一定的影响，适当提高n(稀土)/n(铋)比值可以一定范围内地提高催化剂的催化性能。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳n(稀土)/n(铋)比值条件是0.124。3.1.7离子液体投加量条件对催化剂降解效率的影响离子液体投加量条件对催化剂催化效率的影响如表7所示。表7离子液体投加量对催化剂效率的影响n(离子液体)/mol0.0025001250.0250.0375去除率（%）96.0953.6645.079.09注：表中所列数据除n(离子液体)/mol条件为变量外，其他条件都为最佳操作条件。离子液体投加量条件对催化剂催化效率的影响如图8所示。图8离子液体投加量条件对催化剂催化效率的影响由表7和图8可以看出：随着n(离子液体)/mol的增加，催化剂的催化性能出现先降低再增加的变化趋势。n(离子液体)/mol由0.0025增加到0.0375过程中，催化剂的催化性能相应由96.09%先降低到45.0%，再升高到79.09%。由此可以说明：n(离子液体)/mol条件对催化剂的催化性能的影响较大，适当降低n(离子液体)/mol的量可以提高催化剂的催化性能。结论：在其他条件为最佳操作条件下，提高催化剂的催化性能的最佳n(离子液体)/mol条件是0.0025。3.2紫外-可见漫反射测定通过紫外-可见双光束分光光度计测定所制得的催化剂样品在不同波长范围内对光的吸收特性，如图9所示。图9紫外可见漫反射图在电磁波谱中，紫外光的波长范围主要在10-400 nm之间；可见光的波长范围主要在350770nm之间。从图中可以看到：催化剂对光的吸收主要集中在紫外光与可见光的重合部分。因而，如何对催化剂进行有效的改性，以使其对光的吸收峰值由紫外光段向可见光段移动。在自然光条件下，这将对有效提高催化剂的催化活性具有很大意义。3.3曝气条件对催化剂性能的影响前面论述了静态实验，即实验部分全是在静态条件下进行的。本部分主要论述在曝气情况下，曝气条件对催化剂催化性能的影响。3.3.1不同浓度催化剂在曝气条件下去除率随时间变化在曝气条件下，不同浓度催化剂对甲基橙溶液去除效果随时间变化关系图，如图10所示。图10 催化剂浓度-曝气时间去除率图由图10可以看出：不同浓度催化剂对甲基橙溶液去除率都是随着曝气时间的增长而增大。浓度为1g/L时曲线最低，浓度为5g/L时曲线最高，浓度为3g/L和浓度为7g/L两曲线基本重合，由此可以说明，在曝气条件下，催化剂的催化性能不是随着催化剂的用量越大越好，而是催化剂浓度从低到高过程中，催化性能是先升高再下降，有峰值。本实验条件下，最佳催化剂浓度为5g/L。3.3.2在曝气和不同光照强度条件下催化剂去除率随时间变化在曝气条件和不同光照强度条件下，催化剂对甲基橙溶液去除效果随时间变化关系图，如图11所示。图11 光强-曝气时间去除率图由图11可以看出：不同光照强度条件对甲基橙溶液去除率都是随着曝气时间的增长而增大。光照强度为15w时曲线最低，光照强度为150w时曲线最高，光照强度为60w和光照强度为300w时两曲线重合较多，由此可以说明，在曝气条件下，催化剂的催化性能不是随着光照强度越大越好，而是光照强度从低到高过程中，催化性能是先升高再下降，有峰值。本实验条件下，最佳光照强度值为150w。3.3.3在曝气和不同甲基橙浓度条件下催化剂去除率随时间变化在曝气条件和不同甲基橙溶液浓度条件下，催化剂对甲基橙溶液去除效果随时间变化关系图，如图12所示。图12 甲基橙浓度-曝气时间去除率图由图12可以看出：不同甲基橙溶液浓度条件下，催化剂对甲基橙溶液去除率都是随着曝气时间的增长而增大。甲基橙浓度为5mg/L时曲线最低，甲基橙溶液浓度为10mg/L时曲线最高，甲基橙溶液浓度为50mg/L时的曲线位居前两曲线之间，由此可以说明，在曝气条件下，催化剂的催化性能不是随着甲基橙溶液的浓度增加越大越好，而是甲基橙溶液浓度从低到高过程中，催化性能是先升高再下降，有峰值。本实验条件下，最佳甲基橙溶液浓度为10mg/L。第四章 结论与建议光催化产业是一个很有前途的朝阳产业，它将在开发新能源、改变能源结构和保护生态环境方面具有深远意义21。因而，为如何研制出更高效、使用能力更强的催化剂而不懈努力，这将是一项非常值得做的工作。目前，研制更高效、使用能力更强的催化剂无外乎有两个方向：1.在已有知识与经验情况下，继续寻找新材料型光催化剂；2.对已有光催化剂进行修饰改性，以使其满足实际生活需要。4.1实验结论氧化铋催化剂是已经发现具有光催化活性的催化剂，但理论研究比较少。而我实验所做的工作就是对其进行掺杂修饰改性，并在不同实验条件下，通过其对甲基橙溶液的降解效率测试其催化活性的变化规律，同时，也为了得到在其具有最佳催化活性时的操作条件。所得到试验结果有：I静态实验部分：1.在紫外光条件下，掺杂离子液体+稀土元素的新型光催化剂对甲基橙溶液的降解效率最高；2.在可见光条件下，掺杂离子液体+稀土元素的新型光催化剂对甲基橙溶液的降解效率最高；3.最佳的水解温度为60、最佳的离子液体摩尔比为0.0025、最佳的稀土与铋摩尔比为0.124，最佳的灼烧温度为400；4.催化剂对甲基橙溶液的去除率随灼烧时间增加而升高，灼烧时间为5h时去除率已达96.09%；去除率随光照强度的增加而升高，光强为150w时去除率已达99.71%；5.通过紫外-可见漫反射光谱测定光催化剂的光吸收特性，结果表明新型光催化剂在很宽的波长范围内对光具有吸收特性。II动态实验部分：1.曝气条件下，催