块状钛基气凝胶的制备及光催化降解废水中有机污染物实验研究

发布时间：2020-10-17 00:46

　　 随着工业、农业的快速发展和城市化进程的加快,水污染特别是有机污染物造成的水资源短缺已成为威胁人类社会可持续发展的重大问题。在众多水污染治理的技术中,以Ti02为代表的光催化材料能将污水中有毒、难降解有机污染物完全矿化成无害的无机物,成为一种理想的水污染治理材料。但是基于Ti02光催化技术在处理有机污染物废水的实际应用中,还存在粉末状TiO2难回收并造成二次污染、负载型TiO2容易脱落、薄膜型TiO2负载量有限并且容易剥落等缺点。针对上述问题,为提高TiO2的光催化活性,促进光催化技术在有机污水处理中的实际应用,本论文结合TiO2无毒、化学性质稳定以及优异的光催化性能和块状气凝胶的结构特性,制备大尺寸块状钛基气凝胶代替传统形式的TiO2光催化材料处理废水中有机污染物。气凝胶具有低密度、高孔隙率和高比表面积等特点,内部骨架和穿透孔交织形成三维网络结构,溶剂干燥后形成的穿透孔在光催化处理污水时有利于水溶液自由进出,骨架上存在的纳米级介孔可增加吸附和反应位点,进而增加材料的光催化性能。通过控制水解缩聚反应速率、增强凝胶骨架强度并增大穿透孔孔径得到大尺寸块状气凝胶还可解决催化剂回收难题。本论文在新型块状钛基气凝胶的常压制备及其光催化降解废水中有机污染物等方面开展了系列研究工作,主要研究成果如下：1.以多孔脲醛树脂为硬模板,采用负压-浸渍组装TiO2,经高温煅烧去除模板成功制备得到具有双孔分布的厘米级Ti02块体。染料光催化降解实验表明多孔Ti02块体光催化性能达到商用粉末状催化剂P25的水平。其厘米级块体结构易回收,解决了粉末状催化剂不易回收的难题。2.发展了一种溶胶-凝胶结合相分离调控气凝胶孔结构的方法,在常压干燥条件下成功制备了厘米级锐钛矿型块状TiO2-SiO2气凝胶,其比表面积达到357.86m2/g,平均孔径为10.01nm。SiO2的引入有以下几个优点：1、增强了凝胶的强度,促进块状气凝胶构型保持；2、增大了材料的比表面积、提高了材料的酸性位点,可显著提高材料表面活性位点,进而提高材料的光催化性能；3、硅钛原子水平的复合能够抑制高温时TiO2由锐钛矿向金红石相转变,以及抑制高温时催化剂比表面积减小,提高气凝胶的热稳定性。将该材料应用于光催化降解硝基酚、亚甲基蓝等有毒、难降解模拟废水,发现有良好的光催化性能,当催化剂用量为16 g/L,3小时内可以将20mg/L亚甲基蓝降解完全；在弱碱性条件下,催化剂用量为8 g/L,3 h内可将50 mg/L硝基酚基本降解完全。大尺寸块状结构有利于催化材料回收使用,经4次循环使用材料的光催化性能基本保持不变。3.以光催化降解实际应用为导向,设计与构筑了大尺寸环形TiO2-SiO2气凝胶,实现了与光源的直接耦合,得到自支撑催化剂环绕光源的光催化反应器。该反应器扩大了催化材料的光接触面积,同时克服了悬浆型光催化反应器催化剂不易回收,负载型光催化反应器催化剂容易脱落的问题。将该光催化反应器应用于光催化降解废水中草甘膦和2-氯-4-硝基酚等有毒、难降解有机污染物,实验结果表明该装置实现了有机污染物的深度降解。离子色谱跟踪降解过程揭示了草甘膦的降解路径和机理,离子色谱分析结果表明有机污染物最终降解产物为磷酸根和硝酸根等无机离子,无次生污染物产生。4.利用醋酸控制钛金属醇盐的水解和缩聚反应,常压条件下自组装得到具有微米、纳米两级孔道的锐钛矿型自支撑块状Ti02气凝胶,解决了TiO2气凝胶易碎、不易成块的难题。材料孔隙率达95.7%,内部由纳米棒团簇形成高强度骨架支撑,数十微米穿透孔为常压干燥气体顺利逸出提供了良好通道。染料光催化降解实验表明,微米级孔道结构还有利于染料分子的传质与扩散,增强了其光催化效果。500℃煅烧块状Ti02气凝胶兼具大的比表面积和锐钛矿晶型,有良好的光催化性能,光催化降解过程主要活性物种为·OH和·O2。块状Ti02气凝胶经4次循环使用后光催化性能基本保持不变。为提高对光的利用效率,在块状Ti02气凝胶骨架上原位组装了AgI纳米颗粒,使其光吸收波段由紫外区扩大到可见光区。可见光催化降解亚甲基蓝实验发现,AgI-TiO2块状气凝胶具有良好的可见光催化性能,投入量为16 g/L时,在可见光条件下(λ420 nm)1小时内可将10 mg/L亚甲基蓝降解80%以上。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X703;O643.3
【部分图文】：

径基自由基（’ＯＨ）。送些高活性的超氧自由基ＯＣＶ）、径基自由基（’ＯＨ）和空穴??能将有机物氧化，生成Ｃ〇２、Ｈ２０Ｗ及一些简单的无机物，从而能够达到去除有机??污染物的目的。主要的反应过程如图１－１所示。??轉??Ａ?度取?Ｅｇ?＾?〇２１?，ｖ??戦．嫁??２?罕??图１－１?半导体光催化机理示意图??图中涉及的主要反应方程式如下：??

高孔隙率的基本特点，且其孔结构具备开孔性和相气凝胶相互连通的孔洞中自由进出，另其高比表面，该类型气凝胶在水处理和空气净化等领域有广泛胶在水处理方面的应用??一种性质优良的超轻多孔性非晶固体材料。纳米级络结构，该材料比表面积可高达１２００?ｍ２／ｇ，孔空隙中充满气态分散介质，因此其密度很低，密气重３倍［３８］。更重要的是Ｓｉ〇２气凝胶孔结构具有体和液体可Ｗ贯穿整个凝胶网络结构。由于具有率高于活性炭纤维和赶胶，其在吸附水溶液中有机Ｓｉ〇２气凝胶具有高比表面和高孔隙率可作为催化剂变气凝胶表面性质得到疏水Ｓｉ〇２气凝胶，选择性吸图１－３是疏水Ｓｉ化气凝胶吸附油的示意图，从图结构，吸附黄色的油漂浮在水面上，处理后可直接水表面清澈无油表明气凝胶己将油全部吸附。??

构１＾１大孔和中空为主，送种特殊的孔结构有利于污染物的吸附和脱附，为碳气凝??胶再生重复利用创造了条件。另外，碳气凝胶的孔结构还可Ｗ通过调节高碳有机??气凝胶的骨架和孔结构来调节碳气凝胶的孔结构Ｗ达到最佳吸附性能，如图１－４??所示，通过改变骨架颗粒的大小，能调控穿透孔及骨架孔的大小，实现对复杂水??环境中的污染物的有效去除。??！！圍國??！１！圆圏??ｉｎｃｒｅａｓｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｍｅｒ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ??（ｔｏｗａｒｄｓ?ｍｏｒｅ?ｄｅｎｓｅ?ＲＦ?ａｅｒｏｇｅｌｓ）??图１－４有机ＲＦ气凝胶和碳气凝胶的微观结构调控示意图ＰＳＩ??目前，国内外研究学者通过不同的方法制备了碳气凝胶并将其应用于水处理??中吸附环境水中的污染物，研究表明碳气凝胶具有丰富的微孔和中孔结构可吸附??水体难降解的重金属离子巧日有机污染物［５６＾８］，其在环境水处理吸附领域有着??广泛的应用前景。碳气凝胶是继活性炭之后出现的一种新型轻质、多孔优良的碳??吸附材料ｔｗｉ。同时，由于碳气凝胶是唯一可导电的气凝胶，用碳气凝胶进行水体??电吸附也具有潜在的优势。吕桂芬ｔｅｗ将具有中孔结构的碳气凝胶作为＝维电极装??置的粒子电极并处理模拟苯龄废水，发现有很好的催化去除效果，去除率达９７．５％，??循环５０次后，ＣＯＤ去除率仍在８０％?Ｗ上。２００２年ＹｉｎｇＷ等探究了比表面为４１２??ｍ２?／ｇ（?７７％微孔和２３％中化）和比表面为６０２?ｍ２?／ｇ（?８５％微孔和１５％中孔）两种碳??气凝胶对ＮＣＶ和Ｃｕ２＋的电吸附
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 史冉冉;王宝辉;苑丹丹;;难降解有机废水处理技术研究进展[J];工业催化;2014年09期

2 刘善云;王涛;;疏水性二氧化硅气凝胶吸附水中微量苯酚和甲醛的研究[J];离子交换与吸附;2009年04期

本文编号：2844023