复合纳米ZnO光催化剂的制备、表征及性能应用研究

发布时间：2017-05-02 14:12

  本文关键词：复合纳米ZnO光催化剂的制备、表征及性能应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半导体氧化锌(Zn O)因其宽禁带宽度等特性而成为一种具有应用前景的光催化剂。本论文较为系统地研究了以纳米Zn O为光催化剂基质,对其进行不同的改性。采用超声沉淀法制备了纯纳米Zn O,通过改性分别制备了Bi/Zn O、Ce/Zn O、Zn O/PVC等多种光催化剂。用沸石负载Bi/Zn O,并对Bi/Zn O/沸石的制备条件和应用条件进行了实验探究。用偶联剂法制备了Bi/Zn O、Ce/Zn O、Zn O/PVC聚丙烯多面球,并对负载后聚丙烯多面球的光催化降解性能进行了比较。通过多种实验仪器对制备的光催化剂进行了结构和性能的探究。同时考虑实际的应用,以海产品深加工废水为目标物进行光催化降解实验。对其中Ce/Zn O光催化剂进行了光催化动力学研究。本论文的主要研究结果如下:(1)用超声沉淀法制备了纯纳米Zn O,以XRD、SEM等测试手段对制得纳米Zn O进行晶型、粒径、形貌的表征,探讨了催化剂加入量、氨氮和COD初始浓度、p H值、反应时间、过氧化氢等因素对光催化作用的影响。通过正交实验确定最佳实验组合为:对于氨氮来说,Zn O投加量0.9g/L,氨氮初始浓度140mg/L,COD初始浓度900/L,p H值9,光照时间4h。降解率达65.804%。对于COD来说,Zn O投加量0.9g/L,氨氮初始浓度110mg/L,COD初始浓度600/L,p H值9,光照时间3h。降解率达80.00%(2)用沉淀法制备稀土Ce/Zn O光催化剂,以红外分析、XRD、SEM等测试手段对制得纳米Zn O进行成键、晶型、粒径、形貌等的表征。通过观察红外光谱图,发现随着Ce掺杂量的增加,Ce O2的的特征峰逐渐出现,且峰位置逐渐蓝移。随着煅烧温度和煅烧时间的增加,游离水中的H-O-H的吸收峰逐渐减小,氧化锌的表面羟基峰值先增大后减小。通过XRD衍射图谱对比分析,制备的催化剂为典型的六方纤锌矿,结晶良好,纯度较高。Ce元素已经以某些形式存在于复合纳米催化剂中。随着煅烧温度和煅烧时间的增加,结晶度越来越高。平均粒径在40-50nm之间,Ce的掺杂对粒径大小的影响不大。用制备的光催化剂对模拟海产品深加工废水中的氨氮及COD进行降解,通过实验,对于氨氮降解的影响顺序为:煅烧温度光照时长催化剂用量投加量Ce的掺杂比≈煅烧时间。对于COD来说,影响大小顺序为:光照时间煅烧时间煅烧温度Ce掺杂比催化剂投加量。根据正交试验,在最佳实验条件下,氨氮和COD的去除率分别可以达到83.4%和59.1%。(3)用溶胶凝胶法制备了Bi/Zn O光催化剂,用热重分析、红外分析、XRD、SEM等测试手段对制得纳米Zn O进行成键、晶型、粒径、形貌等的表征。通过热重分析,确定Bi/Zn O煅烧温度至少高于270℃。通过红外谱图比较分析,随着温度的提高和n(Bi):n(Zn)的增大,吸收峰发生蓝移,随着煅烧时间的增加,吸收峰红移。通过XRD衍射分析,随着Bi含量、煅烧温度和煅烧时间的增加,粒径增加。扫描电镜观察,随着n(Bi):n(Zn)、煅烧温度、煅烧时间的增加,粒径相对增加,有些甚至超过纳米级。用制备的光催化剂分别在紫外光和可见光条件下,对模拟海产品深加工废水中的氨氮及COD进行降解,通过正交实验确定最佳的实验组合:紫外光条件下,对于氨氮降解的影响顺序为:光反应时长煅烧温度煅烧时间n(Bi):n(Zn O)光催化剂用量。对于COD来说,影响大小顺序为:煅烧温度n(Bi):n(Zn O)光催化剂用量煅烧时间光反应时间。在最佳实验条件下,氨氮和COD的去除率分别可以达到86.7.%和76.9%。可见光条件下,对于氨氮降解的影响顺序为:光反应时长光催化剂用量煅烧时间煅烧温度n(Bi):n(Zn O)。对于COD来说,影响大小顺序为:光反应时间煅烧时间煅烧温度≈n(Bi):n(Zn O)光催化剂用量。在最佳实验条件下,氨氮和COD的去除率分别可以达到87.19%和89.33%。(4)用两步合成法制备了Zn O/PVC光催化剂,用热重分析、红外光谱、XRD、SEM等测试手段对制得纳米Zn O进行成键、晶型、粒径、形貌等的表征。对前驱物进行热重分析,确定在223℃附近,Zn O/PVC开始复合形成共轭高分子。在红外光谱比较中,不仅观察到Zn O和PVC各自的特征峰,同时观察到Zn-O-C键合的吸收峰。通过XRD衍射图对比,150℃时,复合物中只有Zn O特征峰明显,随着温度升高,Zn O特征峰逐渐消失,同时出现Zn O/PVC复合形成的衍射峰,且分散度较高。在可见光条件下,对模拟海产品深加工废水中的氨氮及COD进行降解,通过正交实验确定最佳的实验组合:对于氨氮降解来说,各因素影响顺序为依次为:Zn O与PVC质量比煅烧时间煅烧温度光照时间投加量。对于COD来说,各因素影响顺序为:煅烧温度煅烧时间光照时间Zn O与PVC质量比投加量。在最佳实验条件下,氨氮和COD的去除率分别可以达到77.4%和66.7。(5)研究了纳米Ce/Zn O粉末光催化降解海产品深加工废水中氨氮和COD的反应动力学,在Langmuire-Hinshelwood(L-H)动力学模型的基础上,考察了催化剂制备条件的煅烧温度、煅烧时间、Ce掺杂比以及污染物初始浓度等4个因素,结果表明可以用一级反应动力学方程来描述。(6)利用沸石、聚丙烯多面球作为载体进行负载工艺。制备了负载型Bi/Zn O/沸石光催化剂,运用XRD、SEM等方法进行了表征,通过实验探究了负载型光催化剂应用的优化条件。实验表明:负载型光催化剂对较低浓度的氨氮和COD有更好的降解效果。可见光下,氨氮和COD的去除率最高可达分别达80.9%和94.1%。同时制备了Zn O/PVC、Ce/Zn O、Bi/Zn O聚丙烯多面球,并对负载后的聚丙烯多面球进行实验比较。结果表明负载于聚丙烯多面球的光催化剂在可见光光照6h之后仍有较好的去除效果。Bi/Zn O的降解效果最佳,氨氮去除率最高可达68.3%,COD能达到72.1%。降解效果高于Zn O/PVC和Ce/Zn O。重复使用会使得负载型光催化剂的降解率降低。
【关键词】：纳米氧化锌 掺杂改性 表征 光催化
【学位授予单位】：大连海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;X714
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 纳米光催化技术概论11-14
• 1.1.1 纳米光催化剂的特性11-12
• 1.1.2 光催化技术作用机理12
• 1.1.3 光催化技术特点12-13
• 1.1.4 纳米ZnO制备方法及改性研究13-14
• 1.2 海产品深加工废水危害及处理研究现状14-15
• 1.3 论文的研究意义以及主要研究内容15-17
• 第二章 光催化实验方法17-22
• 2.1 催化剂表征方法17-18
• 2.1.1 热重分析17
• 2.1.2 红外光谱分析(FTIR)17
• 2.1.3 X射线衍射分析(XRD)17-18
• 2.1.4 扫描电子显微镜(SEM)18
• 2.2 光催化实验18-19
• 2.2.1 光催化降解实验18
• 2.2.2 氨氮标准曲线的建立18-19
• 2.3 氨氮或COD余量的测量19
• 2.4 实验试剂及仪器19-22
• 第三章 纳米ZnO光催化剂的合成、表征及光催化性能的研究22-30
• 3.1 纳米ZnO光催化剂的制备22
• 3.2 纳米ZnO光催化剂的表征22-24
• 3.2.1 X射线衍射分析(XRD)22-23
• 3.2.2 扫描电镜分析(SEM)23-24
• 3.3 纳米ZnO光催化氧化养殖废水中氨氮的研究24-27
• 3.3.1 纳米ZnO用量对降解模拟海产品深加工废水影响24
• 3.3.2 溶液初始pH值对降解模拟海产品深加工废水的影响24-25
• 3.3.3 氨氮初始浓度对降解模拟海产品深加工废水的影响25-26
• 3.3.4 COD初始浓度对降解模拟海产品深加工废水的影响26
• 3.3.5 光照时间对降解模拟海产品深加工废水的影响26-27
• 3.3.6 过氧化氢投加量对降解模拟海产品深加工废水的影响27
• 3.4 正交试验优化光催化降解条件27-29
• 3.5 本章小结29-30
• 第四章Ce/ZnO光催化剂的合成、表征及光催化性能的研究30-37
• 4.1 Ce/ZnO光催化剂的制备[54]30
• 4.2 Ce/ZnO光催化剂的表征30-34
• 4.2.1 红外分析30-31
• 4.2.2 XRD衍射分析31-33
• 4.2.3 扫描电镜33-34
• 4.3 正交实验分析34-35
• 4.4 本章小结35-37
• 第五章Bi/ZnO光催化剂的合成、表征及光催化性能的研究37-45
• 5.1 Bi/ZnO光催化剂的制备37
• 5.2 Bi/ZnO光催化剂的表征37-41
• 5.2.1 热重分析37-38
• 5.2.2 红外分析38-39
• 5.2.3 XRD衍射分析39-40
• 5.2.4 扫描电镜40-41
• 5.3 正交实验分析41-43
• 5.4 本章小结43-45
• 第六章ZnO/PVC光催化剂的合成、表征及光催化性能的研究45-52
• 6.1 ZnO/PVC催化剂的制备45
• 6.1.1 纳米氧化锌的制备45
• 6.1.2 ZnO/PVC复合催化剂的制备45
• 6.2 ZnO/PVC光催化剂的表征45-50
• 6.2.1 热重分析45-46
• 6.2.2 红外分析46-48
• 6.2.3 XRD衍射分析48
• 6.2.4 扫描电镜48-50
• 6.3 正交实验分析50-51
• 6.4 本章小结51-52
• 第七章 纳米Ce/ZnO光催化氧化海产品深加工废水的动力学研究52-61
• 7.1 光催化反应的动力学模型52-54
• 7.2 氨氮（COD）初始浓度的影响54-55
• 7.3 Ce掺杂量对催化剂催化性能的影响55-56
• 7.4 煅烧温度对催化剂催化性能的影响56-57
• 7.5 煅烧时间对催化剂催化性能的影响57-58
• 7.6 动力学模型与分析58-60
• 7.7 小结60-61
• 第八章 沸石和聚丙烯多面球负载纳米光催化剂的研究61-71
• 8.1 负载型BiOCl/ZnO/沸石光催化剂的制备61-62
• 8.2 负载型BiOCl/ZnO/沸石光催化剂的表征62-63
• 8.2.1 X射线衍射分析(XRD)62
• 8.2.2 扫描电镜分析(SEM)62-63
• 8.3 负载型BiOCl/ZnO/沸石光催化剂制备及实验条件的优化63-67
• 8.3.1 负载浓度对氨氮及COD去除率的影响63-64
• 8.3.2 复合催化剂投加量对去除率的影响64
• 8.3.3 复合催化剂煅烧时间对氨氮及COD去除率的影响64-65
• 8.3.4 复合催化剂煅烧温度对氨氮及COD去除率的影响65
• 8.3.5 氨氮、COD初始浓度对氨氮及COD去除率的影响65-66
• 8.3.6 光照时间对氨氮及COD去除率的影响66-67
• 8.4 正交试验优化光催化降解条件67-68
• 8.5 聚丙烯多面球负载光催化剂的研究68-70
• 8.6 本章小结70-71
• 第九章结论与展望71-74
• 9.1 结论71-72
• 9.2 本研究的不足和进一步的展望72-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士期间发表论文79-82
• 致谢82

【参考文献】

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本文编号：341108