改性纳米TiO2的研究及在光催化处理矿井水中的应用

论文摘要

纳米TiO2光催化技术作为一种高级氧化技术,在污染物降解方面具有降解效率高、无二次污染等优点。但是,纯的纳米TiO2光催化性能不强,限制了它的应用。为了提高纳米TiO2的光催化活性,必须对其进行改性。矿井水是一种可重复利用的水资源。将改性纳米TiO2应用于矿井水处理中,对缓解我国水资源紧张,实现矿区经济可持续发展具有重要意义。采用溶胶-凝胶技术合成WO3掺杂改性纳米TiO2和改性聚乙二醇（PEG）的TiO2。运用XRD、SEM、XPS、IR、TG-DTA等测试手段,研究了改性二氧化钛的物理化学性质。考察了改性纳米TiO2对甲基橙的光催化降解情况和动力学:研究了催化剂投加量、溶液初始浓度、反应时间、反应温度、pH对甲基橙降解的影响,优选出最佳掺杂量的改性TiO2。比较了在光催化和光氧化两种作用下甲基橙降解的动力学。考察了7种无机离子对改性TiO2光催化降解矿井水中COD的影响,HCO3-、SO42-、Cl-和Ca2+,在矿井水中的实际浓度时对两种光催化剂（PEG400-TiO2和TiO2）的性能均有抑制作用,抑制作用大小为HCO3-＞SO42-＞Cl-＞Ca2+;Cl-在相对低浓度范围时（0.9～8.9mmol/l）,对两种光催化剂的性能有促进作用;Mn2+在矿井水中实际浓度时（0.0013mmol/L）,对光催化性能没有影响,当Mn2+浓度＞0.013mmol/L就对TiO2光催化性能有抑制,当Mn2+浓度＞0.039mmol/L才对PEG400-TiO2光催化性能有抑制。Cu2+在其浓度为0.008～0.072mmol/L对两种光催化剂性能有促进作用,其浓度＞0.072mmol/L对光催化性能有抑制作用;和Mn2+、Cu2+一样Fe3+在矿井水中实际浓度时（0.0457mmol/L）,对两种光催化剂没有影响,但在浓度（0.2～0.7mmol/L）对光催化剂的性能均有显著促进作用,但浓度＞0.8 mmol/L对光催化性能有抑制作用。通过两因子方差分析,各离子浓度均与实际矿井水中离子浓度相近条件下,HCO3-和SO42-,HCO3-和Cl-,SO42-和Cl-对两种光催化剂均降解率均有显著影响;Mn2+和Cu2+对两种光催化剂均降解率均没有显著影响;Mn2+和Ca2+,Cu2+和Ca2+中的Ca2+对两种光催化剂的降解率均有显著影响,而Mn2+和Cu2+没有影响。研究了活性炭负载改性TiO2处理矿井水的中试试验,针对超标严重的指标,氟化物、浊度、色度、Hg2+、Cr6+、大肠菌群、细菌总数等参数进行5d的试验,结果良好。并对其稳定性和工艺的经济效益进行了初步分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪言
• 1.1 课题背景
• 1.2 论文的内容
• 参考文献
• 2研究进展和矿井水处理现状'>第二章 纳米TiO₂研究进展和矿井水处理现状
• 2光催化的基本原'>2.1 TiO₂光催化的基本原
• 2的能带结构'>2.1.1 TiO₂的能带结构
• 2光催化的反应历程'>2.1.2 TiO₂光催化的反应历程
• 2光催化剂的制备'>2.2 纳米TiO₂光催化剂的制备
• 2光催化性能的因素'>2.3 影响纳米TiO₂光催化性能的因素
• 2.3.1 催化剂本身影响因素
• 2.3.2 光源和光强的影响
• 2.3.3 反应物浓度的影响
• 2.3.4 pH的影响
• 2.3.5 无机离子的影响
• 2的研究进展'>2.4 改性纳米TiO₂的研究进展
• 2.5 矿井水的处理现状
• 2在水处理应用中的研究进展'>2.6 改性纳米TiO₂在水处理应用中的研究进展
• 参考文献
• 2光催化剂的制备、结构及性能'>第三章 改性纳米TiO₂光催化剂的制备、结构及性能
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验仪器与试剂
• 3.2.2 改性光催化剂的合成方法
• 3.2.3 改性光催化剂的合成工艺
• 3.3 结果与讨论
• 3改性TiO₂的表征'>3.3.1 WO₃改性TiO₂的表征
• 2的表征'>3.3.2 PEG改性TiO₂的表征
• 3.4 小结
• 参考文献
• 2光催化降解甲基橙的研究'>第四章 改性纳米TiO₂光催化降解甲基橙的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验仪器与试剂
• 4.2.2 实验方法
• 2,光催化降解甲基橙的影响'>4.3 不同溶剂和实验条件对改性纳米TiO₂,光催化降解甲基橙的影响
• 4.3.1 不同光照时间下紫外光催化降解甲基橙溶液
• 4.3.2 不同甲基橙浓度下紫外光催化降解
• 4.3.3 不同pH下紫外光催化降解甲基橙溶液
• 4.3.4 不同溶液温度下紫外光催化降解甲基橙溶液
• 4.3.5 不同光催化剂量下紫外光催化降解甲基橙溶液
• 2降解甲基橙的动力学'>4.4 改性纳米TiO₂降解甲基橙的动力学
• 4.4.1 试验
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 小结
• 参考文献
• 2光催化性能影响的研究'>第五章 掺杂改性纳米TiO₂光催化性能影响的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验仪器与试剂
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 3掺杂量对改性光催化性能的影响'>5.3.1 WO₃掺杂量对改性光催化性能的影响
• 5.3.2 PEG改性量对改性光催化性能的影响
• 3和PEG改性量的光催化比较'>5.4 不同WO₃和PEG改性量的光催化比较
• 5.5 小结
• 参考文献
• 2和改性纳米TiO₂光催化性能的影响'>第六章 矿井水中离子对纳米TiO₂和改性纳米TiO₂光催化性能的影响
• 6.1 实验
• 6.1.1 实验仪器与试剂
• 6.1.2 矿井水水样预处
• 6.2 不同试验条件下光催化矿井水的研究
• 6.3 模拟矿井水中部分单—离子对光催化剂性能影响
• 3^-对光催化剂性能的影响'>6.3.1 矿井水中HCO₃^-对光催化剂性能的影响
• 4^2-对光催化剂性能的影响'>6.3.2 矿井水中SO₄^2-对光催化剂性能的影响
• -对光催化剂性能的影响'>6.3.3 矿井水中Cl^-对光催化剂性能的影响
• 2+对光催化剂性能的影响'>6.3.4 矿井水中Mn²⁺对光催化剂性能的影响
• 2+对光催化剂性能的影响'>6.3.5 矿井水中Cu²⁺对光催化剂性能的影响
• 2+对光催化剂性能的影响'>6.3.6 矿井水中Ca²⁺对光催化剂性能的影响
• 3+对光催化剂性能的影响'>6.3.7 矿井水中Fe³⁺对光催化剂性能的影响
• 6.4 模拟矿井水中部分离子两两存在对光催化剂性能影响
• 3^-和SO₄^2-双离子对光催化剂性能影响'>6.4.1 HCO₃^-和SO₄^2-双离子对光催化剂性能影响
• 3^-和Cl^-双离子对光催化剂性能影响'>6.4.2 HCO₃^-和Cl^-双离子对光催化剂性能影响
• 4^2-和Cl^-双离子对光催化剂性能影响'>6.4.3 SO₄^2-和Cl^-双离子对光催化剂性能影响
• 2+和Cu²⁺双离子对光催化剂性能影响'>6.4.4Mn²⁺和Cu²⁺双离子对光催化剂性能影响
• 2+和Ca²⁺双离子对光催化剂性能影响'>6.4.5 Mn²⁺和Ca²⁺双离子对光催化剂性能影响
• 2+和Ca²⁺双离子对光催化剂性能影响'>6.4.6 Cu²⁺和Ca²⁺双离子对光催化剂性能影响
• 6.5 矿井水中主要影响离子对光催化降解动力学的比较
• 6.6 小结
• 参考文献
• 第七章 活性炭改性二氧化钛处理矿井水中试研究
• 7.1 前言
• 2的制备'>7.2 活性炭的物理化学性质及活性炭负载纳米TiO₂的制备
• 7.2.1 活性炭的物理化学性质
• 2的制备实验'>7.2.2 活性炭负载改性纳米TiO₂的制备实验
• 7.3 试验装置和工艺流程
• 7.3.1 工艺流程
• 2光催化装置为主的光催化处理矿井水的实验'>7.4 以活性炭负载改性纳米TiO₂光催化装置为主的光催化处理矿井水的实验
• 7.4.1 实验仪器与装置
• 7.4.2 试验和分析方法
• 7.5 结果与讨论
• 2负载量的研究'>7.5.1 改性TiO₂负载量的研究
• 7.5.2 对矿井水中部分指标的光催化降解中试试验
• 7.5.3 光催化剂稳定性的考察
• 7.5.4 经济效益分析
• 7.6 小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文及参与的课题