掺硼铁氧化物性质及其对有机污染物的光催化降解效果研究

论文摘要

以铁氧化物为催化剂催化氧化降解有机污染物已成为近年来环境化学方面的研究热点。相对于传统光催化剂二氧化钛,铁氧化物的带隙能较低,且能诱发芬顿反应,因此,铁氧化物光催化将成为具有广阔应用前景的治理环境污染的新技术。为了提高铁氧化物光催化剂的活性,本文以人工合成针铁矿为基础,经硼酸三甲酯处理形成不同硼掺杂质量分数的针铁矿和赤铁矿,探讨了它们的结构性质和光催化活性。主要采用溶胶凝胶法和研磨煅烧法来制备掺硼铁氧化物；并采用XRD, FT-IR, DRS, BET等表征手段研究了掺硼铁氧化物的结构和光电性质。以甲基橙和阿特拉津为目标污染物,研究不同合成方法、掺杂比例、pH、过氧化氢和不同光源对催化剂活性的影响,确定了最佳掺杂条件。通过上述研究得到了以下主要结论：1)硼掺杂能改变铁氧化物的晶体结构,增大催化剂的比表面积,其中掺硼针铁矿系列的比表面积要大于掺硼赤铁矿系列的比表面积。2)硼掺杂能提高催化剂的Lewis酸性,且随着掺硼量的增加,催化剂的Lewis酸性逐渐增强。3)硼掺杂能影响铁氧化物对紫外和可见光的吸收性能。掺硼针铁矿系列催化剂中掺硼2%针铁矿对光的利用率最好,掺硼赤铁矿系列催化剂中掺硼2%赤铁矿对光的利用率最好。掺硼2%赤铁矿对光的吸收能力要优于掺硼2%针铁矿。4)适量硼掺杂能提高铁氧化物的紫外光和可见光催化效率,过量的硼掺杂不利于催化剂的光催化效率。紫外光下,掺硼针铁矿系列对甲基橙降解效率的顺序为：掺硼2%针铁矿>未掺杂针铁矿>掺硼10%针铁矿,掺硼赤铁矿系列对甲基橙降解效率的顺序为：掺硼2%赤铁矿>未掺杂赤铁矿>掺硼10%赤铁矿。掺硼赤铁矿系列催化剂的紫外光降解能力大于掺硼针铁矿系列催化剂。5)紫外光下甲基橙的最佳降解条件为：pH=3,催化剂为掺硼2%赤铁矿,存在过氧化氢。可见光下甲基橙的最佳降解条件为：pH=3,催化剂为掺硼2%针铁矿并有过氧化氢存在。6)在可见光下,掺硼铁氧化物对阿特拉津具有光催化降解的作用,其光催化过程符合一级动力学反应方程。其中掺硼2%针铁矿对阿特拉津的光催化效果最好。可见光下阿特拉津的最佳降解条件为：pH=3,温度为35℃,催化剂为掺硼2%针铁矿并有过氧化氢存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语表
• 1 文献综述
• 1.1 土壤中常见的铁氧化物
• 1.2 （羟基）氧化铁结构特征
• 1.2.1 赤铁矿
• 1.2.2 针铁矿
• 1.3 （羟基）氧化铁的实际应用
• 1.4 （羟基）氧化铁的合成
• 1.4.1 针铁矿常用制备方法
• 1.4.1.1 化学沉淀法
• 1.4.1.2 湿法空气氧化法
• 1.4.1.3 苯胺法
• 1.4.2 赤铁矿常用制备方法
• 1.4.2.1 湿法
• 1.4.2.2 干法
• 1.5 （羟基）氧化铁的光化学
• 1.5.1 高级氧化技术
• 1.5.2 Fenton反应
• 1.5.3 （羟基）氧化铁的光催化反应
• 1.5.3.1 （羟基）氧化铁光催化反应机制
• 1.5.3.2 （羟基）氧化铁光催化反应活性的影响因素
• 1.5.3.3 （羟基）氧化铁光催化反应存在的问题及改进
• 1.6 硼的化学行为
• 1.6.1 硼的性质
• 1.6.2 土壤中的硼
• 1.6.3 掺杂硼的光催化剂
• 1.6.3.1 硼掺杂光催化剂的合成方法
• 1.6.3.2 硼掺杂光催化剂的催化效率和原理
• 1.6.3.3 硼掺杂光催化剂的形貌和比表面积
• 1.6.3.4 硼掺杂光催化剂的结构
• 1.7 染料废水的处理现状
• 1.7.1 染料废水的处理方法
• 1.7.2 光催化降解染料废水
• 1.7.3 光催化降解甲基橙机理
• 1.8 持久性有机污染物的处理现状
• 1.8.1 光催化降解持久性有机污染物
• 1.8.2 光催化降解阿特拉津机理
• 2 课题研究的意义、内容和技术路线
• 2.1 研究目的与意义
• 2.2 主要研究内容
• 2.3 技术路线
• 3 掺硼（羟基）氧化铁的制备与表征
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 铁氧化物的制备
• 3.1.1.1 溶胶凝胶法制备铁氧化物
• 3.1.1.2 研磨煅烧法制备铁氧化物
• 3.1.2 （羟基）氧化铁中元素化学组成分析
• 3.1.2.1 （羟基）氧化铁中铁含量的测定
• 3.1.2.2 （羟基）氧化铁中硼含量的测定
• 3.1.3 掺硼（羟基）氧化铁的表征
• 3.1.3.1 FT-IR分析方法
• 3.1.3.2 比表面积的测定
• 3.1.3.3 盐滴定法测定电荷零点（ZPC）
• 3.1.3.4 X-射线衍射图谱（XRD）
• 3.1.3.5 紫外可见漫反射图谱（DRS）
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 铁氧化物的化学元素组成
• 3.2.2 掺硼（羟基）氧化铁的红外图谱分析
• 3.2.2.1 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿的FT-IR
• 3.2.2.2 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿的FT-IR
• 3.2.2.3 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿的FT-IR
• 3.2.3 掺硼（羟基）氧化铁的X-射线衍射分析
• 3.2.3.1 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿的XRD
• 3.2.3.2 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿的XRD
• 3.2.3.3 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿的XRD
• 3.2.4 掺硼（羟基）氧化铁的紫外可见漫反射图谱分析
• 3.2.4.1 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿的DRS
• 3.2.4.2 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿的DRS
• 3.2.4.3 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿的DRS
• 3.2.5 掺硼（羟基）氧化铁的主要性质
• 3.2.5.1 掺硼（羟基）氧化铁的比表面积
• 3.2.5.2 掺硼（羟基）氧化铁的电荷零点
• 3.2.5.3 掺硼铁氧化物的带隙能
• 3.3 结论
• 4 紫外光下掺硼（羟基）氧化铁降解甲基橙
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 目标降解物
• 4.2.1.1 甲基橙的性质
• 4.2.1.2 甲基橙最大吸收波长的确定
• 4.2.1.3 甲基橙降解率的测定
• 4.2.2 不同合成方法和掺硼量对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.2.2.1 掺硼铁氧化物对甲基橙的吸附
• 4.2.2.2 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿体系中甲基橙的降解
• 4.2.2.3 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿体系中甲基橙的降解
• 4.2.2.4 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿体系中甲基橙的降解
• 4.2.3 不同pH值对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.2.4 不同固液比对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.2.5 有无过氧化氢对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 掺硼（羟基）氧化铁对甲基橙的吸附反应
• 4.3.2 掺硼（羟基）氧化铁对甲基橙的紫外光催化反应
• 4.3.2.1 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿对甲基橙的紫外光催化反应
• 4.3.2.2 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿对甲基橙的紫外光催化反应
• 4.3.2.3 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿对甲基橙的紫外光催化反应
• 4.3.3 不同掺硼量对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.3.4 不同pH值对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.3.5 不同固液比对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.3.6 有无过氧化氢对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 4.3.7 不同反应条件下甲基橙的紫外可见吸收光谱
• 4.4 结论
• 5 可见光下掺硼（羟基）氧化铁降解甲基橙
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 不同合成方法和掺硼量对甲基橙光催化降解的影响
• 5.2.1.1 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿体系中甲基橙的降解
• 5.2.1.2 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿体系中甲基橙的降解
• 5.2.1.3 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿体系中甲基橙的降解
• 5.2.3 不同pH值对甲基橙光催化降解的影响
• 5.2.4 不同固液比对甲基橙光催化降解的影响
• 5.2.5 有无过氧化氢对甲基橙光催化降解的影响
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 掺硼（羟基）氧化铁对甲基橙的吸附反应
• 5.3.2 掺硼（羟基）氧化铁对甲基橙的可见光催化反应
• 5.3.2.1 溶胶凝胶法合成掺硼针铁矿对甲基橙的可见光催化反应
• 5.3.2.2 研磨煅烧法合成掺硼赤铁矿对甲基橙的可见光催化反应
• 5.3.2.3 溶胶凝胶法合成掺硼赤铁矿对甲基橙的可见光催化反应
• 5.3.3 不同掺硼量对甲基橙可见光催化降解的影响
• 5.3.4 不同pH值对甲基橙可见光催化降解的影响
• 5.3.5 不同固液比对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 5.3.6 过氧化氢对甲基橙紫外光催化降解的影响
• 5.3.7 不同反应条件下甲基橙的紫外可见吸收光谱
• 5.4 紫外光和可见光对甲基橙降解反应效果的比较
• 5.5 结论
• 6 掺硼（羟基）氧化铁光催化降解阿特拉津
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 阿特拉津的分子结构
• 6.2.2 阿特拉津的测定方法
• 6.2.3 掺硼铁氧化物对阿特拉津的吸附
• 6.2.4 掺硼铁氧化物在可见光下对阿特拉津的降解
• 6.2.4.1 不同掺硼铁氧化物对阿特拉津降解的影响
• 6.2.4.2 pH对阿特拉津降解的影响
• 6.2.4.3 阿特拉津浓度对其降解的影响
• 6.2.4.4 温度对阿特拉津降解的影响
• 6.2.4.5 过氧化氢对阿特拉津降解的影响
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 掺硼铁氧化物对阿特拉津的吸附
• 6.3.2 不同掺硼铁氧化物对阿特拉津降解的影响
• 6.3.3 pH对阿特拉津降解的影响
• 6.3.4 阿特拉津浓度对其降解的影响
• 6.3.5 温度对阿特拉津降解的影响
• 6.3.6 过氧化氢对阿特拉津降解的影响
• 6.4 结论
• 7 全文总结
• 参考文献
• 在硕士期间发表的有关论文
• 致谢