镧掺杂TiO2纳米管制备及其UV254光催化VOCs的降解特性及机理研究

论文摘要

近年来,挥发性有机污染物（Volatile organic compounds,VOCs）引起的环境污染问题日益严重。特别是医药化工、纺织印染等工业生产过程中排放的VOCs,具有浓度大、毒性强、难降解的特点,单独生物净化技术无法将它们有效去除。因此,开发合适的预处理技术,把难降解的VOCs转化为能被微生物彻底矿化的有机物,成为了当前的研究热点。TiO2的光催化特性使它成为了一种治理环境污染的有效材料。在本研究中,采用复合溶胶-凝胶和水热技术制备了一种La3+掺杂的纳米管,具有较好的光催化特性。相比纯的TiO2颗粒,制备的1.2%-La3+-TNTS在波长254 nm的紫外光下呈现出对乙苯和α-蒎烯的较好转化率。考察了紫外光解工艺参数对乙苯和α-蒎烯的转化率的影响。当反应介质相对湿度为40～50%,乙苯和α-蒎烯的转化率达到最大值,分别为93%和94%。当乙苯的初始浓度由50 mg/m3增加到250 mg/m3、α-蒎烯的初始浓度由50 mg/m3增加到400 mg/m3,两者的转化率分别从94%下降到58%和78%。光催化乙苯和α-蒎烯的降解过程符合Langmuir-Hinshelwood经典动力学方程。通过GC-MS分析光催化乙苯和α-蒎烯的中间产物,乙苯的主要产物有苯甲醛、苯甲酸、苯酚和其他一些短链的羰基酸类化合物；α-蒎烯的主要产物为松莰酮、马鞭酮和乙酸、丙酸等一些小分子酸,并依据检测到的光解产物建立了乙苯和α-蒎烯的光催化转化途径。随后,考察了1.2%-La3+-TNTs催化降解乙苯、α-蒎烯混合废气的工艺特性。在相同停留时间的条件下,低浓度的乙苯对α-蒎烯的转化几乎没有影响,高浓度的乙苯对α-蒎烯的转化有抑制作用；而无论α-蒎烯浓度的高低,对乙苯的转化都有抑制作用。最后,分析了光催化中间产物的水溶性、可生化性以及生态毒性。当相对湿度为40～50%时,乙苯和α-蒎烯能转化为大多数水溶性较好的物质,B/C达到0.49,产物表现出了较好的可生化性；当相对湿度为80%、停留时间为60 s时,产物主要为苯、苯甲酸、乙酰苯、乙酸、甲酸时,LCso达到最大值（为111.13 ppm）,此时对斑马鱼的生物毒性较低,空白对照组的毒性最高,LCso为66.84 ppm。以上研究结果表明,无论是作为单独处理技术,还是作为生物净化的预处理技术,研发的1.2%-La3+-TNTs及其紫外催化工艺是较为合适的工艺。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 VOCs的环境污染现状
• 1.1.2 VOCs的种类和来源
• 1.1.3 VOCs治理技术介绍
• 1.2 光催化氧化的基本理论
• 2的能带结构'>1.2.1 TiO₂的能带结构
• 1.2.2 光催化剂的制备方法
• 2光催化处理VOCs的应用'>1.3 TiO₂光催化处理VOCs的应用
• 1.3.1 含氯有机物
• 1.3.2 芳香族化合物
• 1.3.3 醛酮类VOCs
• 1.3.4 含氮含硫等恶臭VOCs
• 2光催化改性技术'>1.4 TiO₂光催化改性技术
• 1.4.1 离子掺杂
• 1.4.2 贵金属沉积
• 1.4.3 半导体复合
• 2纳米管'>1.4.4 TiO₂纳米管
• 1.5 课题的依据,内容和创新点
• 1.5.1 选题的依据
• 1.5.2 课题的目的和意义
• 1.5.3 研究的内容
• 1.5.4 课题的创新点
• 第二章 材料与仪器
• 2.1 实验材料与仪器设备
• 2.1.1 实验试剂与原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验装置
• 3+掺杂催化剂的制备与表征'>第三章 La³⁺掺杂催化剂的制备与表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 催化剂测试方法
• 3.1.2 催化剂的制备
• 3.2 不同类型镧离子掺杂催化剂的表征
• 3.2.1 XRD分析
• 3.2.2 TEM分析
• 3.2.3 BET分析
• 3.2.4 PL分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 镧离子掺杂催化剂的光催化性能
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 标准曲线绘制
• 4.1.2 光催化性能测试的方法
• 4.2 最佳催化剂的选择
• 4.2.1 不同掺杂量对Sol-gel工艺的影响
• 4.2.2 不同制备工艺的对比
• 4.2.3 光催化活性的稳定性对比
• 3+-TNTs对乙苯和α-蒎烯光催化性能的影响'>4.3 1.2%-La³⁺-TNTs对乙苯和α-蒎烯光催化性能的影响
• 4.3.1 工艺参数
• 4.3.2 再生实验
• 4.3.3 动力学分析
• 4.4 混合废气的光催化反应
• 4.5 本章小结
• 第五章 光催化机理分析及光解产物可生化评价
• 5.1 实验过程和分析方法
• 5.1.1 水溶性和可生化性评价的方法
• 5.1.2 光催化产物的生态毒性分析方法
• 5.1.3 中间产物的检测分析方法
• 5.1.4 Biolog-ECO微平板法
• 5.2 乙苯废气的光催化机理分析
• 5.2.1 光催化乙苯过程碳平衡分析
• 5.2.2 乙苯光催化中间产物机理分析
• 5.2.3 乙苯中间产物的可生化性评价
• 5.3 α-蒎烯废气的光催化机理分析
• 5.3.1 光催化α-蒎烯过程碳平衡分析
• 5.3.2 α-蒎烯光催化中间产物机理分析
• 5.3.3 α-蒎烯中间产物的可生化性评价
• 5.4 混合废气光催化产物的可生化性评价
• 5.4.1 混合废气产物的B/C
• 5.4.2 混合废气产物的生态毒性
• 5.4.3 光催化技术与废气生物净化工艺耦合的可行性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录