TiO2柱撑膨润土的合成及其吸附光催化性能研究

论文摘要

本文利用钠基膨润土作为载体,采用酸性溶胶法制备TiO2柱撑膨润土材料和掺杂金属离子的TiO2柱撑膨润土复合材料,利用TEM、XRD、FT-IR、TG-DTA、BET、XPS、DRS等手段对材料的形貌、结构和组成进行了表征,并研究了其吸附和光催化协同作用降解染料分子的影响因素和不同种类染料分子降解的机制与途径。现将结果归纳如下:（1）制备了TiO2柱撑膨润土材料,考察了焙烧温度和TiO2含量对其结构和性能的影响。TiO2柱撑膨润土复合材料具有良好的层状结构,TiO2以锐钛矿的形式存在于膨润土的层间。柱撑后的复合材料的层间距、比表面积、热稳定性以及吸附和光催化性能均得以提高。473 K时焙烧,TiO2含量为50%时的TiO2柱撑膨润土具有最佳的吸附性能和光催化活性。（2）制备了掺杂不同金属离子的TiO2柱撑膨润土,掺杂的金属离子以非晶态形式存在,金属离子的掺杂对层间距几乎没有影响,与TiO2柱撑膨润土相比较,掺杂金属离子后BET比表面积略有增加。其吸附性能和光催化活性由强至弱的顺序为:Fe-Ti-Na-MMT＞Y-Ti-Na-MMT＞La-Ti-Na-MMT＞Zn-Ti-Na-MMT＞Ni-Ti-Na-MMT＞Cu-Ti-Na-MMT＞Ti-Na-MMT。不同金属离子掺杂作用的变化规律与离子带电电荷数和半径的比值的变化规律基本相同。金属钇离子掺杂量为1.5%时制备的复合材料具有较高的吸附和光催化性能。（3）研究了TiO2柱撑膨润土材料吸附和光催化降解染料的分子动力学规律。复合材料吸附甲基橙的动力学行为与Bangham和Langmuir方程所述规律基本符合。Freundlich吸附等温方程和Langmuir吸附等温方程都能很好的描述此类材料对甲基橙的吸附性能。TiO2柱撑膨润土复合材料光催化降解甲基橙表现为一级反应,遵循Langmuir-Hinshelwood模式。适当的pH、甲基橙溶液初始浓度和适量的H2O2可以加速光催化氧化反应速率。不同结构的染料分子被吸附和光催化降解由易至难的顺序为:罗丹明B＞甲基橙＞刚果红＞活性艳蓝。（4）研究了掺杂金属钇离子的TiO2柱撑膨润土降解不同结构染料的降解机理和途径。结果表明,染料吸附在复合材料表面,经历了一系列光氧化反应,导致溶液的脱色和以芳香酸、脂肪酸为主的中间产物的生成,这些物质进一步氧化成小分子量的分子,最终完全矿化为CO2和无机离子,如NO3-、SO42-和NH4+。不同结构的染料分子在光催化过程中经历了不同的降解途径。TiO2柱撑膨润土复合材料降解染料的过程存在着吸附和光催化的协同作用,吸附能力的增强可以提高光催化降解速率,同时建立了吸附和光催化协同作用反应模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 染料的分类及发色机理
• 1.2 染料废水的来源和特点
• 1.3 染料废水的处理方法
• 1.3.1 染料及印染废水的物理处理方法
• 1.3.2 染料及印染废水的生物处理方法
• 1.3.3 染料及印染废水的化学处理方法
• 1.4 光催化降解染料废水
• 1.4.1 光催化机理
• 1.4.2 影响光催化性能的因素
• 1.5 柱撑膨润土及其吸附光催化应用研究
• 1.5.1 膨润土载体的结构特性
• 2柱撑膨润土的研究现状'>1.5.2 TiO₂柱撑膨润土的研究现状
• 1.6 课题的意义及主要研究内容
• 1.6.1 研究目的意义
• 1.6.2 研究内容
• 2柱撑膨润土的制备及其性能研究'>第2章 TiO₂柱撑膨润土的制备及其性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 化学试剂与仪器
• 2柱撑膨润土的制备'>2.1.2 TiO₂柱撑膨润土的制备
• 2柱撑膨润土的制备'>2.1.3 不同焙烧温度TiO₂柱撑膨润土的制备
• 2含量TiO₂柱撑膨润土的制备'>2.1.4 不同TiO₂含量TiO₂柱撑膨润土的制备
• 2柱撑膨润土的形成机理'>2.1.5 TiO₂柱撑膨润土的形成机理
• 2柱撑膨润土的表征'>2.1.6 TiO₂柱撑膨润土的表征
• 2柱撑膨润土吸附及光催化降解过程'>2.1.7 TiO₂柱撑膨润土吸附及光催化降解过程
• 2.1.8 甲基橙溶液浓度的测定
• 2柱撑膨润土中TiO₂含量的测定'>2.1.9 TiO₂柱撑膨润土中TiO₂含量的测定
• 2.2 结果与讨论
• 2柱撑膨润土的表征及性能研究'>2.2.1 TiO₂柱撑膨润土的表征及性能研究
• 2柱撑膨润土结构及性能的影响'>2.2.2 焙烧温度对TiO₂柱撑膨润土结构及性能的影响
• 2含量对TiO₂柱撑膨润土结构及性能的影响'>2.2.3 TiO₂含量对TiO₂柱撑膨润土结构及性能的影响
• 2.3 小结
• 2柱撑膨润土的制备及性能研究'>第3章 掺杂过渡金属离子的TiO₂柱撑膨润土的制备及性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 化学试剂与仪器
• 2柱撑膨润土的制备'>3.1.2 掺杂不同金属离子TiO₂柱撑膨润土的制备
• 2柱撑膨润土的制备'>3.1.3 不同焙烧温度掺杂钇离子的TiO₂柱撑膨润土的制备
• 2柱撑膨润土的制备'>3.1.4 钇离子不同掺杂量的TiO₂柱撑膨润土的制备
• 2柱撑膨润土的表征'>3.1.5 掺杂不同金属离子TiO₂柱撑膨润土的表征
• 2柱撑膨润土吸附及光催化降解过程'>3.1.6 掺杂不同金属离子TiO₂柱撑膨润土吸附及光催化降解过程
• 3.2 结果与讨论
• 2柱撑膨润土的表征及性能研究'>3.2.1 掺杂过渡金属离子的TiO₂柱撑膨润土的表征及性能研究
• 2柱撑膨润土结构及性能的影响'>3.2.2 焙烧温度对掺杂钇离子的TiO₂柱撑膨润土结构及性能的影响
• 2柱撑膨润土结构及性能的影响'>3.2.3 钇离子掺杂量对掺杂钇离子的TiO₂柱撑膨润土结构及性能的影响
• 3.3 小结
• 2柱撑膨润土吸附光催化降解染料的影响因素'>第4章 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土吸附光催化降解染料的影响因素
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 化学试剂与仪器
• 4.1.2 吸附动力学实验
• 4.1.3 吸附等温线的测定
• 4.1.5 溶液初始pH的影响
• 4.1.6 溶液初始浓度的影响
• 2O₂加入量的影响'>4.1.7 H₂O₂加入量的影响
• 4.1.8 染料结构不同的影响
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 吸附性能研究
• 4.2.2 催化性能研究
• 4.3 小结
• 2柱撑膨润土对不同染料分子的降解机制研究'>第5章 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土对不同染料分子的降解机制研究
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 化学试剂与仪器
• 5.1.2 紫外-可见光谱扫描
• 5.1.3 pH的测定
• 5.1.4 电导率的测定
• 5.1.5 化学耗氧量的测定
• 5.1.6 总有机碳的测定
• 5.1.7 中间产物的测定
• 5.1.8 最终矿化产物的测定
• 2柱撑膨润土降解甲基橙机制研究'>5.1.9 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土降解甲基橙机制研究
• 2柱撑膨润土降解活性艳蓝机制研究'>5.1.10 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土降解活性艳蓝机制研究
• 2柱撑膨润土降解罗丹明B机制研究'>5.1.11 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土降解罗丹明B机制研究
• 5.2 结果与讨论
• 2柱撑膨润土降解甲基橙的机制'>5.2.1 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土降解甲基橙的机制
• 2柱撑膨润土降解活性艳蓝的机制'>5.2.2 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土降解活性艳蓝的机制
• 2柱撑膨润土降解罗丹明B的机制'>5.2.3 掺杂钇离子TiO₂柱撑膨润土降解罗丹明B的机制
• 5.2.4 吸附与光催化的协同作用
• 5.3 小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 对进一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历