掺杂TiO2/Ti-Cu斜置双极液膜反应器可见光光催化处理染料废水的研究

作     者：周若宇 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐云兰

授予年度：2016年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：TiO2/Ti 共掺杂 溶胶-凝胶法 可见光 双极斜板液膜光催化反应器 染料 

摘      要：TiO光催化水处理技术因其光化学性质稳定、耐酸碱性强、设备投入简单、无二次污染等优点,引起了广泛的关注。但目前该技术还存在太阳光利用率低和光量子效率低两大瓶颈问题。金属掺杂和非金属掺杂是提高TiO可见光催化性能的重要方法。传统光电反应器大多都是将光电极完全浸入到反应液中,导致激发光利用率和传质效率不高,进而影响光催化效率。本课题组提出的斜置双极液膜光催化反应器,可在强化激发光利用率的同时提高传质效率。本论文选取硝酸铈、氯化铁、尿素分别为Ce、Fe和N源,以Ti为基底,采用溶胶-凝胶法和浸渍-提拉法制备了一元、二元及三元掺杂TiO/Ti电极,优化了其制备条件,并对其进行了XRD和UV-Vis DRS漫反射等表征。最后以掺杂TiO/Ti为阳极,Cu为阴极,组装斜置双极液膜光催化反应器,以苋菜红染料作为目标污染物,在可见光照射下光催化处理,优化了处理条件。主要结论如下:1、采用溶胶-凝胶法分别制备了Ce、Fe、N单掺杂TiO/Ti电极,考察了煅烧温度、掺杂浓度、涂膜层数的影响。对比发现,三个单掺杂TiO/Ti电极中,Fe掺杂TiO/Ti电极(Fe-TiO/Ti)的光催化活性最佳,其最佳制备条件为:煅烧温度500℃、n(Fe:Ti)=8%,涂膜4层。XRD表征结果表明Fe-TiO/Ti的晶型为锐钛矿型,Fe的掺入较好地抑制了TiO晶粒的生长,粒径约为15.30 nm;UV-Vis DRS表征结果表明其光吸收谱线红移明显,可见光响应较好。考察了染料初始浓度、废水循环流量、溶液初始pH和NaSO浓度对光催化处理效率的影响,得出最佳处理条件为:废水循环流量85 mL/min、溶液初始pH 2.50、NaSO浓度1.0 g/L。在此条件下处理20 mg/L苋菜红溶液90 min,脱色率达到91.20%。2、采用溶胶-凝胶法结合正交试验,分别制备了Ce,Fe、Fe,N和Ce,N二元掺杂TiO/Ti电极。对比发现,三个二元掺杂TiO/Ti电极中,Ce,Fe-TiO/Ti的光催化性能最佳,其可见光催化活性明显优于单掺杂及未掺杂TiO/Ti电极。其最佳制备条件为:煅烧温度500℃、n(Fe:Ti)=6%,n(Ce:Ti)=3%。XRD表征发现Ce和Fe的掺杂有效地抑制了金红石型的形成,使催化剂的粒径进一步减小,为10.21 nm;UV-Vis DRS和光电响应测试结果表明其可见光红移进一步增强,可见光光电响应明显。同样考察了染料初始浓度、废水循环流量、溶液初始pH和NaSO浓度对光催化处理效率的影响,得出最佳处理条件为:废水循环流量85 mL/min,pH 2.50,NaSO浓度0.5 g/L,在此条件下处理20 mg/L苋菜红初始浓度60 min,脱色率达到93.42%。此外,Ce,Fe-TiO/Ti的重现性与重复性较好:8组平行实验处理60 min苋菜红的脱色率维持在91.52±2.23%范围;1片Ce,Fe-TiO/Ti经8次循环降解20 mg/L苋菜红60 min的平均脱色率维持在89.05%,仅比初次实验减少了3.03%。3、采用溶胶-凝胶法结合正交试验,制备了Ce、Fe、N三元掺杂TiO/Ti电极。正交实验优化的最佳制备条件为:煅烧温度550℃,n(Ce:Ti)=4%,n(Fe:Ti)=6%,n(N:Ti)=15%。XRD表征结果表明三元掺杂TiO/Ti的晶型为锐钛矿型,其粒径约为13.46 nm,介于Fe-TiO/Ti和Ce,Fe-TiO/Ti之间;UV-Vis DRS表征结果表明其光吸收谱线红移明显,可见光响应较好,但略小于Ce,Fe二元掺杂。考察了染料初始浓度、废水循环流量、溶液初始pH和NaSO浓度对光催化处理效率的影响,得出最佳处理条件为:废水循环流量85 mL/min,pH 2.50,NaSO浓度0.5 g/L,在此条件下降解20 mg/L苋菜红80 min,其脱色率达到92.57%。对比发现,N的掺杂使三元掺杂电极较Ce,Fe-TiO/Ti的催化效率略有下降。4、双极斜板液膜光催化过程中苋菜红的紫外-可见分光光谱分析表明:光催化是通过使苋菜红分子的偶氮键断裂,并破坏萘环结构,使其由大分子降解为小分子有机物而实现脱色。