水溶液中典型有机物的光催化降解过程分析及反应器的设计与模拟

论文摘要

本文从探索可磁分离的细粉催化剂制备开始,力图解决淤浆床反应器实际应用中面临的固、液分离之难题;以两种典型污染物的吸附和光催化降解实验为基础,分析了可能的降解途径,研究了降解工艺,并建立了其中一种污染物的等温吸附方程和降解动力学模型;随后,将上述研究成果应用于反应器设计,提出了一种转筒式光催化反应器,并在自制的反应器中进行了两种催化剂加装方式下的光催化降解实验;最后,推导出了反应器的设计方程,由此模拟了反应器的实验操作。具体内容如下:首先以钛酸丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备了TiO2超细粒子,在对其进行结构表征和催化活性评价的基础上,通过正交实验优化了TiO2的制备条件;将得到的TiO2分别负载在玻璃片和活性炭表面制备了负载型TiO2催化剂,并进行了结构表征和催化活性评价。采用共沉淀结合固体粒子混合法,成功地在TiO2中引入了三氧化二铝包膜磁性核,既保持了催化剂高效的光催化活性,又具备了可以利用磁场分离催化剂的特征。实验结果表明,TiO2对水溶液中的有机物有很强的吸附性能。为此,考察了溶液温度和pH值对直接耐酸大红4BS染料在TiO2催化剂上的吸附性能,建立了基于Langmuir理想吸附的等温吸附方程。针对光催化水处理方法中存在降解机理复杂,动力学研究不够完善等问题,对NTS酸和4BS两种有机物的光催化降解机理进行了初步的分析,同时,实验研究了紫外线照度、溶液pH值、催化剂用量、反应时间及混合状态对4BS染料降解速率的影响,推导出了综合上述因素下的4BS染料在TiO2催化剂上的光催化降解动力学方程。综合比较了固定床反应器单位反应体积内有效光照区域小,催化剂细颗粒淤浆床固、液分离困难的优劣之后,提出了转筒式光催化反应器,并确定了其基本形式。在自制的转筒式光催化反应器中实验测定了反应器内的紫外光照度分布,经数据处理,得到了描述照度分布的曲面方程,进而建立起转筒式光催化反应器的数学模型。在该反应器中完成了间歇条件下的4BS染料光催化降解的实验研究。通过反应器数学模型的模拟计算,得到了与实验相吻合的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 半导体光催化氧化降解有机物的发展历史及研究现状
• 1.2 光催化氧化技术处理染料废水
• 1.2.1 染料废水的来源和特点
• 1.2.2 染料的发色机理
• 1.2.3 染料废水的脱色方法
• 1.2.4 光催化氧化技术处理染料废水
• 1.3 发展光催化氧化技术需要解决的问题
• 2 光催化剂的催化机理及制备方法'>1.4 TiO₂光催化剂的催化机理及制备方法
• 2 光催化的基本原理'>1.4.1 TiO₂光催化的基本原理
• 1.4.2 超细二氧化钛粉体的制备方法
• 1.5 光催化降解动力学的研究
• 1.5.1 影响有机物光催化降解速率的因素及影响程度
• 1.5.2 染料水溶液光催化降解动力学的研究基础
• 1.6 光催化反应器的研究现状
• 1.6.1 光催化反应器的分类
• 1.6.2 典型的光催化反应器
• 1.7 光催化降解水中有机物的研究所面临的问题
• 1.8 本文的主要研究内容
• 2原粉和负载型TiO₂催化剂'>第二章 溶胶-凝胶法制备超细 TiO₂原粉和负载型TiO₂催化剂
• 2.1 引言
• 2 粒子的制备'>2.2 超细TiO₂粒子的制备
• 2.2.1 主要试剂和设备
• 2.2.2 制备机理
• 2.2.3 制备方法
• 2 制备条件的研究'>2.3 超细TiO₂制备条件的研究
• 2.3.1 主要操作参数的确定
• 2.3.2 正交实验结果及分析
• 2 粒子的表征'>2.4 超细TiO₂粒子的表征
• 2.4.1 X 射线衍射测试（XRD）
• 2.4.2 电子显微镜分析（SEM 和 TEM）
• 2.4.3 傅立叶交换红外光谱分析（FTIR）
• 2 催化剂的制备'>2.5 负载型TiO₂催化剂的制备
• 2.5.1 载体的选择
• 2.5.2 载体的预处理
• 2 催化剂的制备'>2.5.3 负载型TiO₂催化剂的制备
• 2 催化剂的活性评价及表征'>2.5.4 负载型TiO₂催化剂的活性评价及表征
• 2.6 小结
• 2/ Al₂O₃/γ-Fe₂0₃'>第三章 磁载光催化剂 TiO₂/ Al₂O₃/γ-Fe₂0₃
• 3.1 引言
• 3.2 超微磁性粒子的制备
• 3.2.1 实验仪器及药品
• 3.2.2 制备原理
• 3.2.3 制备方法
• 3.3 三氧化二铝包膜磁性核制备
• 3.3.1 实验仪器及药品
• 3.3.2 制备方法
• 3.4 半导体纳米粒子与包膜磁性核的复合
• 3.4.1 实验仪器及药品
• 3.4.2 制备方法
• 3.5 磁性载核磁性的测定
• 3.6 催化剂的表征
• 3.6.1 表征所用仪器
• 3.6.2 表征结果
• 3.7 催化剂的活性评价
• 3.7.1 实验仪器及药品
• 3.7.2 实验方法
• 3.7.3 分析方法
• 3.7.4 催化剂性能比较
• 3.7.5 不同催化剂性能比较
• 2/ Al₂O₃/γ-Fe₂0₃降解不同染料的研究'>3.7.6 TiO₂/ Al₂O₃/γ-Fe₂0₃降解不同染料的研究
• 3.8 制备条件对最终样品的影响
• 3.8.1 pH 值对复合催化剂催化活性的影响
• 3.8.2 煅烧温度对复合催化剂催化活性的影响
• 3.8.3 沉淀的后处理对颗粒团聚性的影响
• 3.9 小结
• 2光催化剂上的吸附性能研究'>第四章 4BS染料在TiO₂光催化剂上的吸附性能研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 吸附等温方程式
• 4.1.2 吸附热力学
• 4.1.3 吸附热的测定
• 4.2 实验仪器及药品
• 4.3 吸附实验
• 4.3.1 吸附量测定方法的确定
• 4.3.2 计算方法
• 4.3.3 4BS 染料浓度的分析方法
• 4.3.4 吸附性能的测定
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 吸附曲线
• 4.4.2 pH 值对吸附性能的影响
• 4.4.3 温度对吸附性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 二氧化钛悬浆体系光催化降解4BS 染料动力学
• 5.1 引言
• 5.2 实验对象
• 5.3 实验仪器及药品
• 5.4 分析方法
• 5.5 实验流程
• 5.6 实验方法
• 5.7 实验内容
• 5.7.1 实验前期工作
• 5.7.2 光催化动力学实验
• 5.8 光催化降解动力学实验的基本内容
• 5.9 动力学实验数据处理
• 5.10 小结
• 第六章 反应机理分析
• 6.1 氧化性活性基团的产生
• 6.2 有机物光催化降解的基本原理
• 6.3 传质和吸附机理
• 6.4 4BS 染料光催化降解
• 6.5 NTS 光催化降解
• 6.6 小结
• 第七章 转筒式负载膜光催化反应器的研制及数学模型的建立
• 7.1 引言
• 7.2 光催化水处理反应器的设计
• 7.2.1 反应器的基本型式
• 7.2.2 转筒式光催化反应器
• 7.2.3 负载膜的制备
• 7.3 实验仪器及药品
• 7.4 实验方法
• 7.5 分析方法
• 7.6 转筒式光催化反应器模拟
• 7.6.1 光照度的测定
• 7.6.2 反应器模型的建立及求解
• 7.7 小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• 致谢