磁场下光催化氧化降解酸性蓝染料废水的研究

论文摘要

近年来，半导体光催化降解高浓度难生化的有机废水已得到了很大的发展，但仍存在不足，亟待完善。例如单纯TiO2光生载流子的复合率高且能量利用率低。为了提高光催化过程的量子效率和能量利用率，加速光生载流子的界面迁移率、降低复合率，本文提出以顺磁性半导体微晶Fe2O3为活性组分，外加磁场与一定波长的普通白炽灯光协同催化降解酸性蓝染料废水。本文以浓度为1000 mg／L，COD为1640 mg／L的酸性蓝染料废水为研究对象，采用H2O2催化氧化处理工艺研究了催化剂的制备、废水降解条件、光-磁组合协同效应以及染料降解机理等。在催化剂的制备研究过程中，主要探讨了载体的选择、浸渍液浓度、浸渍时间和次数、焙烧条件和催化剂的使用寿命。结果表明：以超细非晶态SiO2为载体制得的催化剂活性较高；该载体在浓度为0.4 mol／L的硝酸铁溶液中浸渍5小时1次，在焙烧温度为500℃，焙烧时间为3小时的条件下，所制备的催化剂处理酸性蓝染料废水，COD去除率达81.71％。催化剂连续使用5次后仍具有较高的催化活性，废水COD去除率仍达80.98％，该催化剂具有较高的催化活性和较长的使用寿命。通过IR和XRD图谱分析可知，该催化剂的晶相为γ-Fe2O3／SiO2。在废水降解工艺条件的研究中，主要探讨了pH值、催化剂用量、H2O2用量、反应时间、反应温度等因素对酸性蓝染料废水处理效果的影响。实验结果表明：在pH等于3，催化剂用量为1.6g／L，H2O2用量为6 mL／L，70℃条件下反应120 min时，COD去除率达81.71％。在光-磁组合协同效应的研究中，探讨了外加单一白炽灯、磁场以及光-磁协同作用对酸性蓝染料废水处理影响。结果表明：单一白炽灯、磁场以及光-磁协同作用都对光催化处理酸性蓝染料废水的COD去除率有一定的影响。光强度为11W，光照距离为15 cm，光照时间为120 min，COD去除率由81.71％提高到86.83％。外加磁场强度为2.2mT，作用时间为100 min，COD去除率由81.59％提高到85.12％。在上述条件都不变的情况下，光-磁协同作用100 min，COD去除率达到87.71％。为了更好的控制反应工艺条件和掌握反应规律，本文初步对染料降解机理进行了探讨。光催化氧化降解酸性蓝时，·OH先攻击偶氮键，同时又和-SO3Na发生部分取代。偶氮键脱落后，生成一系列不稳定的中间产物，随着反应的进行，这些中间产物在·OH和O2的作用下，最后生成一些小分子酸，甚至被矿化为CO2和H2O。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 外加能场组合光催化降解有机物
• 1.2.1 氧化剂组合光催化
• 1.2.2 超声场组合光催化
• 1.2.3 微波场组合光催化
• 1.2.4 电场组合光催化
• 1.2.5 热场组合光催化
• 1.2.6 生物氧化法组合光催化
• 1.2.7 低温等离子体组合光催化
• 1.3 磁场化学概述
• 1.3.1 磁场化学的研究背景
• 1.3.2 磁场化学基本原理─自由基对理论
• 1.3.2.1 单线态、三线态及系间跃迁
• 1.3.2.2 笼内反应与笼外反应
• 1.3.3 系间跃迁的机理（△g、hfc、Zeeman等机理）
• 1.3.3.1 无外加磁场作用时的系间跃迁
• 1.3.3.2 外加磁场作用时的系间跃迁
• 1.3.3.3 系间跃迁与笼反应的关系
• 1.3.3.4 笼效应对磁场作用的影响
• 1.3.4 熵效应的作用机理
• 1.4 本论文的立题依据及研究构想
• 第2章 实验方法及数据处理
• 2.1 实验试剂及设备
• 2.1.1 主要实验试剂
• 2.1.2 主要实验设备及仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 催化剂的制备
• 2.2.2 废水降解实验
• 2.2.3 催化剂的活性评价
• 2O₂催化氧化降解染料废水催化剂的研究'>第3章 H₂O₂催化氧化降解染料废水催化剂的研究
• 3.1 引言
• 3.2 催化剂制备工艺的研究
• 3.2.1 催化剂载体的选择
• 3.2.2 浸渍液浓度对催化剂性能的影响
• 3.2.3 浸渍时间对催化剂性能的影响
• 3.2.4 浸渍次数对催化剂性能的影响
• 3.2.5 焙烧条件对催化剂性能的影响
• 3.2.6 催化剂的使用寿命
• 3.3 催化剂的结构表征
• 3.4 本章小结
• 第4章 染料废水处理工艺条件的研究
• 4.1 简介
• 4.2 pH值的影响
• 4.3 催化剂用量的影响
• 2O₂用量的影响'>4.4 H₂O₂用量的影响
• 4.5 反应时间的影响
• 4.6 反应温度的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 光-磁组合光催化降解染料废水的初探
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验装置
• 5.2.3 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 2O₃/SiO₂光催化降解废水的影响'>5.3.1 光照时间对γ-Fe₂O₃/SiO₂光催化降解废水的影响
• 5.3.2 光照距离对酸性蓝废水COD去除率的影响
• 5.3.3 不同处理工艺的对比
• 5.3.4 磁场强度对酸性蓝废水COD去除率的影响
• 5.3.5 磁场作用时间对酸性蓝废水COD去除率的影响
• 5.3.6 光-磁协同反应时间对酸性蓝废水COD去除率的影响
• 5.3.7 不同外加条件下反应的对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 染料降解机理的研究
• 6.1 催化氧化机理分析
• 6.2 染料酸性蓝降解过程的探讨
• 第7章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文