二氧化钛薄膜电极光电催化降解有机农药研究

论文摘要

农药废水因毒性大、浓度高和组分复杂，成为废水治理难题之一。半导体TiO2是一种高效的光催化剂，具有很强的氧化能力，在紫外光辐射下，它能将空气中和水中的有机污染物降解为CO2和H2O，无二次污染，已引起研究者的极大关注。但普通粉体TiO2催化剂存在电荷分离效率差、光催化活性低、不易回收等缺点，致使它的工业应用受到限制。光电催化技术是一种通过施加外加电压，将光激发半导体产生的光生电子迁移到对电极上，减少光生电子-空穴的复合，从而提高光催化活性的新技术。它集光电技术于一体，在降解有机污染物等环境污染治理方面已显示出广泛的应用前景。本文应用光电催化技术，主要围绕TiO2光催化薄膜电极的制备和改性展开研究，以高效氯氰菊酯（BEC）和辛硫磷为目标降解物，评价所制薄膜电极的光电催化活性，揭示光电催化降解规律，具体研究工作如下：1．薄膜电极的制备研究以泡沫镍为载体，采用溶胶-凝胶法分别研究了TiO2及Ce4+/TiO2薄膜电极的制备方法。以钛酸丁酯[Ti（OC4H9）4]为前驱体，无水乙醇为溶剂，乙酰丙酮为络合剂，聚乙二醇[（PEG）400]为致孔剂，以冰醋酸为抑制剂，制得TiO2溶胶；通过浸渍提拉技术在泡沫镍基体上制备了所需的TiO2膜层；将镀好的电极置于马福炉中，500℃下保温2h，随炉冷却至室温即制得TiO2薄膜电极。制备Ce4+/TiO2薄膜电极，只需向上述TiO2溶胶中添加一定量的硫酸高铈Ce（SO4）2·4H2O，制备出掺杂不同摩尔浓度n(Ce4+)/n（TiO2）的薄膜电极，记作：n％Ce4+/TiO2薄膜电极。2．TiO2薄膜电极光电催化性能研究利用自行设计的光电催化反应装置，使用三电极体系（以光催化薄膜电极为工作电极（WE），饱和甘汞电极（SCE）为参比电极（RE），铂电极为对电极（CE）），125W高压汞灯为光源，使用CHI600b电化学工作站较为系统地研究了TiO2薄膜电极的光电催化性能，探讨了影响光电催化反应的各种因素，确定最佳降解条件，并对光电催化过程进行动力学分析。（1）选择BEC为实验对象，研究了TiO2薄膜电极的光电催化活性。结果表明，当煅烧温度为500℃、镀膜层数为5层、BEC初始浓度为45mg·L-1，初始pH 6．08、NaCl浓度为0．01mol·L-1、外加电压为0．6V（vs．SCE）时，反应120min，BEC的降解率可达80．3％，COD去除率达71．6％。降解过程服从Langmuir-Hinshehwood动力学模型，在较低质量浓度(≤90mg·L-1)下，光电催化降解过程为一级反应，并求得Langmuir速率常数k0=2．166 mg·（L·min）-1，吸附常数K=2．214×10-2L·mg-1。（2）选择辛硫磷为实验对象，通过考察COD的变化，研究了TiO2薄膜电极的光电催化性能。结果表明，当煅烧温度为500℃、镀膜层数为5层、辛硫磷初始浓度为70mg．L-1、初始pH6．25、NaCl浓度为0．01mol·L-1、光源为125W高压汞灯、外加电压为0．6V（vs．SCE）时，降解120min，辛硫磷溶液的COD去除率达63．6％。3．Ce4+/TiO2薄膜电极光电催化性能研究选择BEC为实验对象，使用三电极体系（以光催化薄膜电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极），分别用125W高压汞灯及25W日光灯作为辐射光源，对Ce4+/TiO2薄膜电极光电催化性能进行较为系统的对比研究。结果表明，当Ce4+掺杂量0．5％（摩尔分数）、镀膜层数为5层、煅烧温度450℃、BEC初始浓度为45mg·L-1、初始pH6．01、NaCl浓度为0．01mol·L-1、光源为125W高压汞灯、外加电压为0．1V（vs．SCE）时，120min BEC降解率达到92．1％；保持其他条件不变，光源改为25W日光灯，选用TiO2薄膜电极为工作电极时，120min BEC降解率只有3％，而用0．5％Ce4+/TiO2薄膜电极时，120min BEC降解率可以达到73％。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 农药废水处理技术与发展
• 1.2.1 农药废水污染现状
• 1.2.2 农药废水水质特征
• 1.2.3 农药废水处理方法
• 1.3 半导体光电催化农药废水的研究
• 1.3.1 国内外光电催化发展历程
• 1.3.2 二氧化钛催化原理
• 1.3.3 影响光电催化反应的因素
• 1.3.4 提高光电催化效率的方法
• 1.4 光电催化反应动力学
• 1.5 光电催化反应器
• 1.5.1 三电极体系
• 1.5.2 固定相二氧化钛的制备
• 1.6 目前存在的问题及实验总体思路
• 1.7 本课题的研究内容
• 2 光电催化薄膜电极的制备及其改性
• 2.1 实验仪器
• 2.2 实验试剂
• 2.3 实验步骤
• 2溶胶的制备'>2.3.1 TiO₂溶胶的制备
• 2薄膜电极的制备'>2.3.2 TiO₂薄膜电极的制备
• 4+/TiO₂薄膜电极的制备'>2.3.3 Ce⁴⁺/TiO₂薄膜电极的制备
• 2薄膜电极光电催化性能研究'>3 TiO₂薄膜电极光电催化性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验仪器与装置
• 3.1.2 实验试剂
• 3.1.3 实验步骤
• 3.1.4 分析方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 高效氯氰菊酯（BEC）的光电催化降解
• 3.2.2 辛硫磷的光电催化降解
• 4+掺杂TiO₂薄膜电极的光电催化性能研究'>4 Ce⁴⁺掺杂TiO₂薄膜电极的光电催化性能研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验仪器与装置
• 4.1.2 实验试剂
• 4.1.3 实验步骤
• 4.1.4 分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4+掺杂量对BEC降解率的影响'>4.2.1 Ce⁴⁺掺杂量对BEC降解率的影响
• 4.2.2 不同锻烧温度对BEC降解率的影响
• 4+/TiO₂薄膜电极可见光响应研究'>4.2.3 Ce⁴⁺/TiO₂薄膜电极可见光响应研究
• 4.2.4 电化学表征
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 未来工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录