兩種殼-殼-核結(jié)構(gòu)的磁載光催化劑的低溫制備及其光催化與磁回收性能研究.pdf

1、TiO2半導(dǎo)體材料由于其強(qiáng)氧化性、高催化活性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、反應(yīng)條件溫和、無毒、價格低廉以及無二次污染等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具有前景的治理有機(jī)污染廢水的綠色材料之一。在水處理過程中,懸浮態(tài)的TiO2由于其比表面積大和分散性良好,具有較高的催化效率,但存在回收困難的問題,直接排放不僅導(dǎo)致二次污染,而且也使處理成本急劇上升。將TiO2固定在玻璃、陶瓷等塊狀載體上,雖解決了回收難的問題,但是光催化效率卻明顯下降。為達(dá)到既具有高催化效率,又能回收利

2、用的目的,研究通常以超順磁性的材料為磁核,在其表面直接負(fù)載TiO2或者先包覆無機(jī)惰性隔離層如SiO2等,隨后再將TiO2負(fù)載到用無機(jī)材料改性的磁核上。但是這些磁載光催化劑在制備過程中,存在磁回收性能下降以及高溫煅燒導(dǎo)致催化活性下降等缺點(diǎn),制約著TiO2的工業(yè)化應(yīng)用。
　　 針對上述問題,本文用水解法在低溫(90℃)、中性(pH=7左右)條件下,合成納米TiO2,確定了TiO2的最優(yōu)合成路線。采用以納米Fe3O4為磁核,分別以Al

3、2O3和聚苯乙烯(PS)為惰性隔離層,將TiO2負(fù)載在磁性材料上,制備出2種具有殼/殼/核結(jié)構(gòu)的磁載光催化劑TiO2/Al2O3/Fe3O4和TiO2/PS/Fe3O4。用X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉紅外分光光度計(jì)(FT-IR)和振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)等儀器對催化劑的物相組成、形貌、表面性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征;分別以初始濃度均為25mg·L-1的苯酚和Cr(Ⅵ)作為模擬污染物,用反應(yīng)速率常數(shù)K評價所制備的

4、催化劑的光催化活性。通過自制的磁回收裝置考察磁載光催化劑的磁回收率;通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)考察磁載光催化劑的催化活性壽命。通過研究,本文得到如下結(jié)論:
　　 1.用低溫水解法制得納米TiO2光催化劑。設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),選擇了三種因素:水鈦摩爾比、醇鈦摩爾比及反應(yīng)回流時間,考察這三種因素在三個水平上對TiO2光催化活性的影響。在本實(shí)驗(yàn)條件下,得出最佳催化活性TiO2的制備方案,即以乙醇作為溶劑,水、醇和鈦的摩爾比50:30:1,在90℃條件下反

5、應(yīng)6小時。
　　 2.以Al2O3為惰性隔離層,以納米Fe3O4為磁核,制備了TiO2/Al2O3/Fe3O4磁載光催化劑?？疾炝薚iO2、Fe3O4和Al2O3不同摩爾比,對所制備的磁載光催化劑的光催化活性的影響,從中選出所制備的最佳磁載光催化劑。結(jié)果表明,催化劑TAF6(其中物質(zhì)的量比為nTiO2:nAl2O3:nFe3O4=60:5:1)具有最佳的光催化活性,降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)均遵循一級反應(yīng)動力學(xué)方程。降解苯酚的反應(yīng)

6、速率常數(shù)K=0.0223,在循環(huán)使用5次后,反應(yīng)速率常數(shù)僅下降0.0041。還原Cr(Ⅵ)的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0123。磁性催化劑TAF6具有較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和良好的磁回收性能,在降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)實(shí)驗(yàn)中,TAF6循環(huán)使用5次,平均回收率分別約為85.06％和80.05%。
　　 3.以聚苯乙烯(PS)為惰性隔離層,以納米Fe3O4為磁核,制備了TiO2/PS/Fe3O4磁載光催化劑?？疾炝薚iO2、Fe3O4和苯乙烯單

7、體(St)不同摩爾比,對所制備的磁載光催化劑的光催化活性的影響,確定了最佳磁載光催化劑。結(jié)果表明,TPF6(其中物質(zhì)的量比為nTiO2:nSt:nFe3O4=60:2.5:1)具有良好的光催化活性,降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)均遵循一級反應(yīng)動力學(xué)方程。降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0265;在循環(huán)使用5次后,反應(yīng)速率常數(shù)僅下降0.0038。還原Cr(Ⅵ)的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0232。磁載催化劑TPF6具有較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和良好的磁回收性能

8、,在降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)實(shí)驗(yàn)中,TPF6循環(huán)使用5次,平均回收率分別約為92.7%和88.36%。
　　 以聚苯乙烯為惰性隔離層的磁載光催化劑克服了常規(guī)熱處理及無機(jī)隔離層所造成的催化活性及磁回收性能下降的不利影響。磁載光催化劑TPF6能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要,比商用的P25具有更廣泛的應(yīng)用前景。
　　 4.從光催化活性、磁回收性能以及催化活性壽命等方面對TAF6和TPF6進(jìn)行比較。結(jié)果表明,磁載光催化劑TPF6比TAF6具