改性钛氧化物的吸附及光催化性能研究及其应用

发布时间：2020-06-20 12:04

【摘要】：钛酸纳米管(TNT_s)和二氧化钛(TiO_2)是两种典型的钛氧化物,在吸附和光催化功能上有着显著的优势。现已证明TNTs制备过程简单,而且对重金属阳离子有良好吸附效果,但是在实际废水处理中仍然受到其它离子以及有机物的影响。TiO_2在光催化降解有机污染物的过程中,具有氧化性强、无毒、廉价、环境友好以及降解完全等特点,但其本身禁带宽度较大,不能有效的利用太阳能,且表面生成的电子-空穴对复合速率较高,导致量子效率较低等缺陷也成为限制其发展的关键所在。本文采用水热合成法利用活性炭粉末(PAC)改性TNTs获得新材料TNTs@PAC,形态上钛酸纳米管交织附着在活性炭颗粒表面,部分纳米管可以嵌入活性炭的孔道内部,部分活性炭微粒也会附着于TNTs表面,比表面积可达654.2 m~2/g。利用该材料对废水中重金属铅离子(Pb~(2+))、阳离子染料亚甲基蓝(MB)、阴离子染料甲基橙(MO)和两性离子染料罗丹明B(RhB)的吸附性能及机理进行了研究。TNTs@PAC对Pb~(2+)的最大单层饱和吸附容量达到318.5 mg/g;共存离子Na~+和Ca~(2+)浓度从0-10mM时,TNTs@PAC的吸附效率只降低了5.4%和15.1%,影响较小;腐植酸(HA)对于TNTs@PAC吸附Pb~(2+)的影响较微弱,主要归因于其中组分PAC能够吸附HA和HA-Pb复合污染物的能力;利用EDTA-Na_2对TNTs@PAC进行解吸再生,在3次循环后,其解吸率(D)依然大于93.2%,吸附率(R)仍旧大于91%;其吸附机理主要归因于静电引力和离子交换。TNTs@PAC对MB、RhB、MO的最大单层饱和吸附量为263.16、149.25和108.7 mg/L,表面该材料对阳离子型染料吸附能力最强;利用TNTs的光降解性能,在紫外光照条件下,对材料进行循环使用,经过3次的重复使用,该材料对MB的重复利用率较高,基本稳定;对RhB的利用率从96.5%下降到了67%;对MO的利用率下降最多,从96.4%下降为46.7%。这可能与染料本身的结构有一定的相关性。采用溶胶凝胶法合成TiO_2负载于SiO_2上,并以Bi系化合物掺杂改性得新材料Bi/TiO_2/SiO_2,再经过高温(600℃和800℃)灼烧获得该研究实验材料Bi/TiO_2/SiO_2-600和Bi/TiO_2/SiO_2-800。该复合材料在形态上均表现为聚集的纳米粒子,在未经煅烧时,材料Bi/TiO_2/SiO_2表现为边缘模糊分散的聚集体,其中SiO_2和TiO_2都处于无定形状态。煅烧后,TiO_2的晶体结构逐渐显现出来,变得明显且易于观察。改性实验材料Bi/TiO_2/SiO_2-800和Bi/TiO_2/SiO_2-600对于三种染料的光催化降解动力学可以很好的用L-H模型描述,一级动力学方程拟合数据最为理想,所拟合得出的相关系数R值较高,均在0.99以上。从模型得到的光催化降解反应速率常数来看,两种材料均为MB k_1RhB k_1MO k_1;同比两种光催化降解材料,Bi/TiO_2/SiO_2-800要比Bi/TiO_2/SiO_2-600的光催化降解能力强,这可能与材料灼烧时,高温可以使附着的TiO_2成晶情况更好,且有更多的金红石和锐钛矿生成,所以,混晶的存在可以使材料的光催化性能极大提升,可以更高效的催化降解染料离子。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

锐钛矿型,金红石型,二氧化钛,晶体结构

二氧化钛的结构和性质氧化钛（TiO2）通常有三种晶型结构：锐钛矿（anatase,AT）、金红石（r矿（brookite,RT），禁带宽度分别为 3.2eV、3.0 eV 和 3.3 eV[25]。1 二氧化钛的结构钛矿型一般存在于片麻岩和片岩当中，呈板状或柱状形态，透明-半透在一定温度下即转化为金红石型，属于不稳定晶型，因而没有太大的少被应用。锐钛矿型和金红石型均属于四方晶系，但是各自有不同的用较多的 TiO2主要是锐钛矿和金红石两种晶型。这两种类型的组成上面体作为基本结构单元，也就是说每个 Ti4+会被 6 个 O2-所包围。二者于 Ti4+和 O2-之间的连接方式不同，锐钛矿型是 TiO6八面体共边形成iO6八面体共面且共边形成的（图 1.1）。锐钛矿中 Ti-Ti 键长（0.379，0红石型（0.357, 0.296 nm），而 Ti -O 键长（0.1934, 0.198 nm）却小于金49, 0.1980 nm）。

二氧化钛光催化,反应机理,发色基团

图 1.3 二氧化钛光催化反应机理Fig. 1.3 TiO2photocatalysis reaction mechanism料光催化降解反应机理公式表示如下[54、55]：→ TiO2+ e-+ h+·OH ·OH + H+O2-→HO2· 2+ H2O2·OH + OH-+O2催化原理，在使用 TiO2材料降解有机染料时，就可括共轭发色基团）。在降解中，高活性强氧化自由发色基团，经过一系列氧化还原反应，最终把染料

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