二氧化钛—石墨烯复合物的制备及处理四环素类废水的研究

发布时间：2017-06-21 08:05

  本文关键词：二氧化钛—石墨烯复合物的制备及处理四环素类废水的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四环素类抗生素废水具有难降解、难处理的特点,是当前水处理的一大难题。二氧化钛(TiO2)材料由于具备价格低廉、无毒性、性能稳定等优点,是目前普遍认为最具有研究前景的光催化材料。但是对于单纯的二氧化钛材料,其中的光生电子和空穴极易复合,这经常会导致其光催化效率的降低；与此同时,复合物中二氧化钛的形貌结构也影响着光催化的效率。针对以上问题,本论文中使用新型碳材料-二维石墨烯做为载体,通过简单的溶剂热方法,在其表面原位生长制备出具有分级结构的Ti02-石墨烯复合材料,并且通过测试证明其在紫外光下,对于盐酸土霉素、盐酸强力霉素模拟抗生素废水的降解有较好的性能,相对于单纯的Ti02,光催化降解效率明显提高。本论文主要研究内容如下：采用简单的溶剂热合成方法,使用乙醇和乙二醇混合溶液作为溶剂,钛酸四丁酯作为钛源,在氧化石墨表面原位生长Ti02前躯体,经过惰性气体保护下的煅烧,氧化石墨还原成为还原氧化石墨,前驱体转变成二氧化钛相。通过改变钛酸四丁酯的投加量,合成了不同比例的二氧化钛石墨烯复合物。通过X射线衍射、X射线光电子能谱、红外光谱确定了其结晶相确实为二氧化钛,并且通过热重测试确定了复合物中二氧化钛的含量。SEM测试表明,所合成的样品为均匀的200-400nm的二氧化钛纳米立方,生长在还原氧化石墨片层上。这种特殊的形貌产生的原因可能是使用的溶剂具有丰富的羟基,在反应过程中能够与钛源-钛酸四丁酯更好的配位水解。通过进行紫外漫反射的测试,证明复合物具有紫外光响应,能够在紫外光下具有较好的光催化性能。对二氧化钛,石墨烯以及所制备的二元复合材料进行了光催化降解盐酸土霉素和盐酸强力霉素的实验,并对其光催化降解率进行比较。在暗反应条件下,测定了材料的吸附平衡时间为30min。并且,比较不同条件下反应降解率的大小变化,确定反应条件对反应效果的影响。最佳反应的pH值为7,可以在反应2h后降解率为88.59%。催化剂用量对处理效果的影响不大。使用初始浓度分别为30mg/L、40mg/L、50mg几的二氧化钛石墨烯复合物对盐酸土霉素的光催化降实验,初始浓度越大,处理的效果越明显。以及合成过程中二氧化钛投加量为0.2m1的复合物处理效果最好。对具有最佳光催化性能的复合物进行厂回收和重复性试验,验证光催化剂反复利用对光催化反应降解率的影响,结果表明在重复利用的前3次反应速率较好,降解率分别为87.92%、87.22%、66.41%。最后对石墨烯、二氧化钛和二氧化钛石墨烯复合物光催化降解盐酸土霉素的反应动力学进行讨论,所有的反应都符合一级反应动力学,并且二氧化钛石墨烯复合物处理盐酸土霉素废水反应效果最好,反应速率常数是k=0.01。
【关键词】：二氧化钛 石墨烯 二氧化钛石墨烯复合物 光催化 四环素类抗生素废水
【学位授予单位】：哈尔滨商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;X703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 抗生素及其危害11-15
• 1.2.1 抗生素简介11-12
• 1.2.2 抗生素进入水环境的途径及残留12
• 1.2.3 环境中的残留抗生素的潜在危害12-13
• 1.2.4 抗生素对人类的危害13
• 1.2.5 国内各流域抗生素排放情况13-15
• 1.3 四环素类抗生素来源及危害15-16
• 1.3.1 四环素类抗生素简介15-16
• 1.3.2 国内四环素类抗生素废水的主要来源16
• 1.3.3 四环素类抗生素废水对于环境及人类的危害16
• 1.4 常用四环素类抗生素废水的处理方法16-17
• 1.4.1 物化处理法17
• 1.4.2 生物处理法17
• 1.4.3 化学处理法17
• 1.5 光催化技术17-18
• 1.6 TiO_2光催化剂18-22
• 1.6.1 纳米TiO_2的制备方法19-20
• 1.6.2 优化二氧化钛纳米材料的光催化效率的方法20-21
• 1.6.3 TiO_2纳米材料的形貌调控21
• 1.6.4 金属离子的掺杂21
• 1.6.5 非金属的掺杂21-22
• 1.6.6 半导体材料的复合22
• 1.7 本课题研究思路和内容22-25
• 1.7.1 研究目的意义22
• 1.7.2 本文的研究思路22-23
• 1.7.3 技术路线23
• 1.7.4 实验内容23-25
• 2 实验材料和表征方法25-29
• 2.1 实验试剂25
• 2.2 实验仪器和设备25
• 2.3 材料表征方法25-26
• 2.3.1 广角X射线粉体衍射(XRD)25-26
• 2.3.2 热重分析TG26
• 2.3.3 N_2吸附-脱附等温线(BET)26
• 2.3.4 扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscope,SEM)26
• 2.3.5 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)26
• 2.3.6 X-ray光电子能谱(XPS)26
• 2.3.7 紫外/可见光/近红外光谱仪(UVNIS/NIR)26
• 2.4 光催化降解试验测试方法26-29
• 2.4.1 四环素类抗生素的定量分析26-28
• 2.4.2 实验方法和过程28
• 2.4.3 光催化剂降解率的计算方法28-29
• 3 二氧化钛石墨烯复合纳米材料的制备及表征29-39
• 3.1 引言29
• 3.2 实验部分29-38
• 3.2.1 制备方法29-30
• 3.2.2 氧化石墨及石墨烯的X射线衍射(XRD)分析30
• 3.2.3 氧化石墨和石墨烯的扫描电镜(SEM)分析30-31
• 3.2.4 二氧化钛石墨烯复合材料的形成过程31-32
• 3.2.5 二氧化钛石墨烯复合材料的X射线衍射(XRD)分析32-33
• 3.2.6 二氧化钛扫描电镜(SEM)分析33
• 3.2.7 二氧化钛石墨烯的扫描电镜(SEM)分析33-35
• 3.2.8 二氧化钛石墨烯的热重(TG)分析35
• 3.2.9 二氧化钛石墨烯复合物的氮气吸附脱附测试(BET)35-36
• 3.2.10 二氧化钛石墨烯复合物的红外光谱(FTIR)测试36
• 3.2.11 二氧化钛石墨烯复合物的XPS测试36-37
• 3.2.12 二氧化钛石墨烯复合物的紫外漫反射测试37-38
• 3.3 本章小结38-39
• 4 二氧化钛石墨烯复合物处理水中四环素类抗生素39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 实验药品与实验设备39-40
• 4.2.1 实验药品39
• 4.2.2 实验所用的主要仪器和设备39
• 4.2.3 光催化的反应装置39-40
• 4.3 复合材料的吸附平衡时间40-41
• 4.4 在紫外光源照射下光催化剂的光催化降解试验41-50
• 4.4.1 紫外光光照射下的石墨烯、二氧化钛光催化降解试验41-44
• 4.4.2 二氧化钛石墨烯复合材料光催化降解四环素类抗生素44
• 4.4.3 不同二氧化钛石墨烯复合材料光催化降解盐酸土霉素44-45
• 4.4.4 pH值变化对光催化效果的影响45-46
• 4.4.5 二氧化钛石墨烯复合物投加量对模拟抗生素废水的光催化效果的影响46-48
• 4.4.6 溶液初始浓度对盐酸土霉素的光催化效果的影响48
• 4.4.7 催化剂的回收及重复性光催化实验考察48-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 讨论51-55
• 5.1 二氧化钛、石墨烯和二氧化钛石墨烯复合物的制备分析51
• 5.2 二氧化钛石墨烯复合物形貌和结构的分析51-52
• 5.3 二氧化钛石墨烯复合物光催化降解性能分析52-55
• 结论55-57
• 参考文献57-65
• 附录65-66
• 攻读学位期间发表的学术论文66-67
• 致谢67

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