TiO2納米管光催化同步去除水體中重金屬和有機(jī)物的協(xié)同作用及其機(jī)理.pdf

1、TiO2光催化技術(shù)是目前被廣泛關(guān)注的一項(xiàng)催化新技術(shù)。TiO2在受光照后會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子具有很強(qiáng)的還原能力，光生空穴具有很強(qiáng)的氧化能力，當(dāng)污染物種(如有機(jī)物或金屬離子)吸附到半導(dǎo)體TiO2表面時(shí)，就會(huì)分別得到電子或空穴，發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)。利用電子-空穴的協(xié)同作用，同時(shí)去除環(huán)境中的氧化態(tài)和還原態(tài)的污染物成為當(dāng)前催化和環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本課題在以下幾個(gè)方面做了一些研究工作，為開(kāi)拓TiO2納米管催化劑在同步處理有

2、毒有機(jī)廢水和含重金屬離子的廢水方面提供了理論基礎(chǔ)。
　　 1.以納米TiO2為原料，采用水熱合成法制得TiO2納米管。采用紅外光譜(FT-IR)分析、X衍射(XRD)分析和電鏡掃描分析進(jìn)行表征。表明用水熱合成法制備的納米管不會(huì)改變其晶型，同樣主要為銳鈦礦型，含有少量金紅石型；相比納米TiO2，制得的TiO2納米管晶粒尺寸較小，增大了比表面積和孔體積、具有相對(duì)較好的分散性能，克服了納米TiO2顆粒容易團(tuán)聚的現(xiàn)象，制備出來(lái)的TiO2

3、納米管在理論上具有良好的光催化活性。
　　 2.在總體積為500 mL、反應(yīng)物濃度為2×10-5 mol/L、300W紫外光照射下(體系中的光密度為8 MW/cm2)、溫度控制在26±0.5℃、空氣曝氣(300 mL/min)、TiO2納米管的濃度為2.0 g/L實(shí)驗(yàn)條件下，用所制備的TiO2納米管進(jìn)行光催化降解EDTA、酒石酸、檸檬酸和DTPA的研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管紫外光也能直接光解EDTA、酒石酸、檸檬酸和DTPA，但TiO2

4、納米管的加入，可以促進(jìn)四種有機(jī)物的降解，使反應(yīng)速率更快，反應(yīng)更徹底。1小時(shí)后，采用高效液相色譜(HPLC)很難檢測(cè)到體系中的有機(jī)物。表明TiO2納米管光催化法非常適合于含EDTA、檸檬酸、酒石酸和DTPA廢水的處理。
　　 3.用所制備的TiO2納米管進(jìn)行光催化還原Cu(Ⅱ)和Ag(Ⅰ)的實(shí)驗(yàn)。1小時(shí)后Cu(Ⅱ)和Ag(Ⅰ)的去除率分別達(dá)到了83.7％和88.1％。表明TiO2納米管光催化法是一種很有效的處理含金屬離子廢水的方法

5、。用X射線光電子能譜(XPS)表征金屬離子的還原產(chǎn)物，Cu(Ⅱ)能被TiO2納米管光催化還原為相應(yīng)的金屬單質(zhì)。這表明TiO2納米管光催化法也是一種很有優(yōu)勢(shì)和前景的資源回收的方法。
　　 4.研究了有機(jī)添加物的氧化還原電位與有機(jī)物對(duì)TiO2納米管光催化Cu(Ⅱ)的還原速率的影響之間的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)并不是添加所有的有機(jī)物都能明顯促進(jìn)金屬離子的光催化還原。酸類(甲酸和乙酸)能加快金屬離子的還原反應(yīng)，而醇類(甲醇和乙醇)作用不明顯；有機(jī)物

6、對(duì)金屬離子的反應(yīng)速率的影響與有機(jī)物本身的氧化還原電位之間具有一定的相關(guān)性。X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果表明添加有機(jī)物，只是影響金屬離子的光催化反應(yīng)速率，而對(duì)金屬Cu(Ⅱ)還原產(chǎn)物的形態(tài)則沒(méi)有影響。
　　 5.對(duì)TiO2納米管光催化處理含絡(luò)合銅廢水的處理進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管Cu(Ⅱ)能與EDTA、DTPA、檸檬酸和酒石酸形成穩(wěn)定的配合物，但Cu(Ⅱ)的存在對(duì)有機(jī)配體的光催化氧化還是具有促進(jìn)作用，但配合物的穩(wěn)定性的大小會(huì)影響這

7、種促進(jìn)作用。同樣地，有機(jī)物的存在，即使能與Cu(Ⅱ)穩(wěn)定配合，對(duì)Cu(Ⅱ)的光催化還原也具有促進(jìn)作用，同時(shí)體系的pH變化、有機(jī)物本身的光催化氧化的難易程度和配合物穩(wěn)定性的大小都會(huì)影響到這種作用。X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果表明絡(luò)合銅還原產(chǎn)物仍然為單質(zhì)銅。說(shuō)明TiO2納米管光催化法適合含絡(luò)合銅廢水的處理。
　　 6.同樣條件下，研究EDTA、DTPA對(duì)Ag(Ⅰ)光催化還原速率的影響和檸檬酸、酒石酸對(duì)Ag(Ⅰ)光催化還原速率的影響

8、。EDTA和DTPA與Ag(Ⅰ)能配合為穩(wěn)定的配合物；而檸檬酸和酒石酸與Ag(Ⅰ)很難配合。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不管Ag(Ⅰ)能否與有機(jī)體配合，Ag(Ⅰ)的光催化還原和有機(jī)體的光催化氧化之間存在明顯的協(xié)同作用；但是如果金屬離子能與有機(jī)體穩(wěn)定配合，這種配合作用將會(huì)使有機(jī)體對(duì)金屬離子光催化還原的促進(jìn)作用有所降低；同樣配合物的產(chǎn)生也會(huì)降低金屬離子對(duì)有機(jī)體的光催化降解的促進(jìn)作用。不管有沒(méi)有添加有機(jī)體，Ag(Ⅰ)還原后的體系的pH都會(huì)降低；但下降的程度不一樣