TiO2在不同pH值和高盐度溶液中的吸附和光催化作用研究

论文摘要

光催化降解污染物的方法具有耗能低、催化活性高、无二次污染等优点；而作为代表性的光催化剂，TiO2性质稳定、来源广泛。因此TiO2的光催化氧化研究已经广泛开展，也已经朝着光电池、掺杂、改性等方面热点扩展。但回归到作为主体的TiO2光催化过程本身，在不同条件下的表现和其中的机理仍然是不清楚的，尤其在一些极端氛围下。而这些表现和机理的阐释可以更好完善光催化影响机制，为研究的不断升华铺垫更坚实和全面的基础。为此，本文针对不同pH和高盐度条件，采用多种方法，细致考察了TiO2的吸附和光催化作用。在超声分散和模拟实际的搅拌分散作用下，采用分光光度法考察了纳米级TiO2的团聚和沉降。结果表明，悬浊液都会团聚而沉降，而小颗粒的团聚性要强些。颗粒沉降过程可以分为稳定、高速、缓慢三阶段。酸性条件下的稳定性要好于碱性条件，尤其在pH为1的条件下。在不同盐浓度条件下，KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2、NaNO3和Na2SO4导致TiO2悬浊液沉降的能力是有差异的。显微镜所观察的团聚体形态与实验结果是相吻合的。以亚甲蓝为底物，采用纳米TiO2在不同pH和盐浓度条件下对其进行吸附，并且利用电导率、红外光谱（FTIR）、可见-紫外光（Uv-vis）分析结果来解析相应机理。结果表明，吸附是受到盐浓度影响很大的物理性吸附，吸附率随盐浓度提高最终下降至5%左右；提高温度可以减少吸附平衡时间，在高浓度范围可以小幅度增加吸附率（最大增长率为10%）。离子缔合效应是解析吸附的重要机理。采用Degussa P25在不同pH和高浓度的NaCl和Na2SO4溶液中光催化降解亚甲蓝。利用总有机碳（TOC）测定仪的测定结果显示，在曝气条件下亚甲蓝会发生44%的光化学降解；在高pH条件下，亚甲蓝在高pH条件下降解率可达92%；Cl-对于光催化的遏制作用小于SO42-；NaCl、Na2SO4和pH对于光催化的共同影响基本是三者效应的加和，但存在所谓的“最优遏制效应”。通过高效液相色谱（HPLC）考察阴离子变化的结果表明，吸附于光催化剂表面的阴离子数量随着离子浓度增长而增长，从而也进一步阐释离子吸附影响光催化的机理。采用Degussa P-25在高浓度的NaCl、MgCl2、CaCl2溶液中光催化降解亚甲蓝。利用总有机碳（TOC）测定仪的测定结果表明，Na+、Mg2+、Ca2+对于光催化有遏制作用；而Mg2+和Ca2+的遏制作用在不同浓度下存在区别（遏制作用差距在1%-3%范围内）。NaCl、MgCl2、CaCl2三种离子共同影响是三者效应的叠加，并且也会出现所谓的“最优遏制效应”。通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）考察阳离子的变化，结果除了继续说明三种阳离子的遏制效应与吸附密切相关外，对于Mg2+和Ca2+在不同浓度下的遏制作用差异也有证实作用，同时也揭示了光催化的遏制效应不仅仅是竞争性吸附所决定的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 2光催化研究概述'>1.1 TiO₂光催化研究概述
• 1.1.1 研究进展
• 1.1.2 吸附重要性
• 2光催化影响因素概述'>1.2 TiO₂光催化影响因素概述
• 1.2.1 外界条件
• 1.2.2 废水性质
• 2'>1.2.3 TiO₂
• 2光催化影响'>1.3 离子对于纳米 TiO₂光催化影响
• 1.3.1 一般离子的影响概述
• 1.3.2 水中常见阳离子的影响
• 1.3.3 水中常见阴离子的影响
• 1.4 离子影响的扩展探讨
• 1.4.1 多种离子共存的综合影响
• 1.4.2 离子浓度的影响
• 1.5 高盐度有机废水的性质和处理研究概述
• 1.5.1 高盐度有机废水的性质
• 1.5.2 高盐度有机废水的处理研究
• 1.6 研究的意义和内容
• 1.6.1 研究的意义
• 1.6.2 研究的内容
• 1.7 创新点
• 2悬浊液在不同 pH 和盐浓度下的团聚和沉降研究'>第二章 TiO₂悬浊液在不同 pH 和盐浓度下的团聚和沉降研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料和试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 超声分散影响
• 2在纯水中的沉降'>2.3.2 纳米 TiO₂在纯水中的沉降
• 2.3.3 不同 pH 值的影响
• 2.3.4 高浓度 NaCl 和 KCl 的影响
• 2和 CaCl₂的影响'>2.3.5 MgCl₂和 CaCl₂的影响
• 3和 Na₂SO₄的影响'>2.3.6 NaNO₃和 Na₂SO₄的影响
• 2团聚体的形态分析'>2.3.7 TiO₂团聚体的形态分析
• 2.4 本章小结
• 2在高盐度溶液中吸附亚甲蓝的研究'>第三章 TiO₂在高盐度溶液中吸附亚甲蓝的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料和试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 2悬浊液和亚甲蓝溶液的紫外-可见光谱（Uv-vis）分析'>3.3.1 TiO₂悬浊液和亚甲蓝溶液的紫外-可见光谱（Uv-vis）分析
• 3.3.2 摩尔电导率分析
• 3.3.3 不同的盐浓度对于吸附的影响
• 3.3.4 高盐浓度下吸附随时间的变化
• 3.3.5 温度对于吸附的影响
• 3.3.6 吸附形态的红外光谱（FTIR）分析
• 3.4 本章小结
• 2在不同 pH 和高浓度 NaCl、Na₂SO₄溶液中对亚甲蓝的降解'>第四章 TiO₂在不同 pH 和高浓度 NaCl、Na₂SO₄溶液中对亚甲蓝的降解
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料和试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 亚甲蓝的光化学降解
• 4.3.2 pH 的影响
• -和 SO₄^2-的影响'>4.3.3 Cl^-和 SO₄^2-的影响
• 2SO₄和 pH 共同影响'>4.3.4 NaCl、Na₂SO₄和 pH 共同影响
• 4.3.5 高效液相色谱（HPLC）测定结果分析
• 4.4 本章小结
• 2在高浓度 NaCl、MgCl₂和 CaCl₂溶液中对亚甲蓝的降解'>第五章 TiO₂在高浓度 NaCl、MgCl₂和 CaCl₂溶液中对亚甲蓝的降解
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料和试剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验方法
• 5.3 结果和讨论
• 2和 CaCl₂的影响'>5.3.1 NaCl、MgCl₂和 CaCl₂的影响
• 2+和 Ca²⁺的遏制影响差异'>5.3.2 Mg²⁺和 Ca²⁺的遏制影响差异
• 2和 CaCl₂的共同影响'>5.3.3 NaCl、MgCl₂和 CaCl₂的共同影响
• 5.3.4 电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测定结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文的结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定意见