褐铁矿/纳米TiO2光催化剂的制备及对造纸废水的处理研究

论文摘要

诸多半导体光催化材料中,TiO2具有化学稳定性好、光催化效率高、成本低、无毒等优点,已成为国内外环境科学工作者的研究热点。但由于普通粉末状TiO2在使用过程中存在分离、回收困难以及易产生二次污染等问题,因此对TiO2进行矿物负载、改性逐渐成为新的研究热点。本文以褐铁矿为载体,以钛酸丁酯为前躯物,采用溶胶-凝胶法制备具有核/膜结构的褐铁矿/TiO2光催化剂,并利用低浓度造纸废水来研究光催化剂的制备条件实验和降解条件实验,同时利用XRD、SEM等测试手段对样品进行表征分析。结果表明,褐铁矿/TiO2光催化剂的最佳制备条件为:制备反应时间3h,反应温度50℃,焙烧时间2h,焙烧温度500℃;最佳降解条件为:催化剂用量5g/L,废水pH值为4.0,光照时间2h时脱色率达到85%,CODcr去除率达到70%;通过回收实验和测试表征显示,褐铁矿表面已经形成一层较为均匀的锐钛矿相TiO2膜,且核/膜结构较为牢固。在矿物负载的基础上,对褐铁矿/TiO2光催化剂进行Fe3+掺杂改性,结果表明,褐铁矿/掺Fe3+-TiO2比前者具有更高的光催化活性,在优化实验的条件下,光照时间2h时脱色率达到95%,CODcr去除率达到80%,效果高于褐铁矿/TiO2,且仍形成较为均匀的核/膜结构;用微波加热代替传统加热,发现微波加热能提高褐铁矿/Fe3+-TiO2的吸附能力。利用光催化活性最好的褐铁矿/Fe3+-TiO2进行絮凝-光催化联合处理中段造纸废水原液,在实验条件下,原液CODcr3000mg/L经联合处理4h后造纸废水CODcr去除率达到94%,废水剩余CODcr183mg/L,pH6.3,符合国家排放标准。重复利用实验研究显示,在一定条件下,光催化剂回收率较高,可多次循环使用,有较好的重复利用效果。本实验中开发的絮凝-光催化降解联合处理工艺,处理造纸废水时效果较好,操作过程较为简单,自制光催化剂具有可重复利用的特点,同时低品位褐铁矿储量丰富,价格低廉、无二次污染,故降低了运行成本,也为造纸废水的处理提供了一条新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 造纸废水的危害与处理
• 1.2 光催化氧化技术的发展概况
• 2的光催化机理'>1.3 TiO₂的光催化机理
• 1.4 光催化剂的制备方法
• 2光催化剂的制备方法'>1.4.1 纳米TiO₂光催化剂的制备方法
• 2光催化剂的制备方法'>1.4.2 负载型纳米TiO₂光催化剂的制备方法
• 2光催化剂活性的方法'>1.5 提高TiO₂光催化剂活性的方法
• 1.5.1 离子掺杂
• 2'>1.5.2 有机染料敏化TiO₂
• 1.5.3 半导体复合
• 1.6 本课题的目的和意义
• 1.7 本课题的的研究内容和研究目标
• 1.7.1 研究目标
• 1.7.2 研究内容
• 1.7.3 存在问题
• 2 试剂、仪器与实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验水样
• 2.2 实验仪器
• 2.3 光催化材料的制备
• 2光催化剂的制备'>2.3.1 纳米TiO₂光催化剂的制备
• 2光催化剂的制备'>2.3.2 褐铁矿/TiO₂光催化剂的制备
• 3+-TiO₂光催化剂的制备'>2.3.3 褐铁矿/掺Fe³⁺-TiO₂光催化剂的制备
• 2.3.4 微波焙烧制备光催化剂
• 2.4 光催化材料的降解
• 2.4.1 脱色率分析方法
• cr分析方法'>2.4.2 COD_cr分析方法
• 2的制备与降解'>3 褐铁矿/TiO₂的制备与降解
• 3.1 制备条件实验
• 3.1.1 不同反应时间的降解效果
• 3.1.2 不同反应温度的降解效果
• 3.1.3 不同焙烧时间的降解效果
• 3.1.4 不同焙烧温度的降解效果
• 3.1.5 不同负载物粒度的降解效果
• 3.1.6 正交实验
• 3.2 降解条件实验
• 3.2.1 空白实验
• 2吸附能力研究'>3.2.2 褐铁矿/TiO₂吸附能力研究
• 2投加量对降解效果的影响'>3.2.3 褐铁矿/TiO₂投加量对降解效果的影响
• 3.2.4 光照时间对降解效果的影响
• 3.2.5 废水pH对降解效果的影响
• cr的校核实验'>3.2.6 COD_cr的校核实验
• 3.2.7重复利用实验
• 3.3 表征分析
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 SEM分析
• 3.4 小结
• 2的掺杂改性'>4 褐铁矿/负载TiO₂的掺杂改性
• 4.1 制备条件实验
• 3+掺杂量'>4.1.1 不同Fe³⁺掺杂量
• 4.1.2 不同反应时间的降解效果
• 4.1.3 不同反应温度的降解效果
• 4.1.4 不同焙烧时间的降解效果
• 4.1.5 不同焙烧温度的降解效果
• 4.1.6 正交实验
• 4.2 降解条件实验
• 4.2.1 催化剂投加量对降解效果的影响
• 4.2.2 废水pH对降解效果的影响
• cr的校核实验'>4.2.3 COD_cr的校核实验
• 4.2.4 重复利用实验
• 4.3 表征分析
• 4.3.1 XRD分析
• 4.3.2 SEM分析
• 4.4 小结
• 5 微波加热改性及几种改性方法比较
• 5.1 微波加热的改性方法
• 5.1.1 不同微波加热时间
• 5.1.2 不同的微波加热温度
• 5.2 多种改性方法性能比较
• 5.2.1 吸附能力比较
• 5.2.2 光催化活性的比较
• 5.3 小结
• 6 絮凝/光催化氧化联合处理实际造纸废水
• 6.1 校核实验
• 6.2 絮凝实验
• 6.2.1 不同絮凝剂投加量
• 6.2.2 不同pH值的絮凝效果
• 6.3 光催化降解实验
• 6.3.1 光催化剂投加量的影响
• 2O₂投加量的影响'>6.3.2 H₂O₂投加量的影响
• 6.3.3 光照时间的影响
• 6.3.4 反应的动力学
• 6.3.5 重复利用实验
• 6.4 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生阶段发表的论文