活性炭負(fù)載聚吡咯改性TiO2可見(jiàn)光催化劑的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、TiO2以其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易合成、成本低、無(wú)毒、無(wú)二次污染和光催化效率較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于廢水處理、空氣凈化、消毒殺菌和功能新材料的研究。但是由于TiO2帶隙較寬(Eg=3.0-3.2 eV)，對(duì)其應(yīng)用還存在兩個(gè)明顯的缺陷，一是只能利用太陽(yáng)光中的紫外線（僅占太陽(yáng)光的3％-5％），對(duì)太陽(yáng)光能的利用率低。二是光生電子與空穴容易復(fù)合，光量子利用率低。而且納米TiO2在實(shí)際應(yīng)用中還存在細(xì)小粒子易團(tuán)聚、難分離回收再用等問(wèn)題。沒(méi)食子酸生產(chǎn)廢水成

2、分復(fù)雜、COD含量高、色度高、難以生物降解、處理難度大，屬于酸性高濃度廢水，不適合直接排放，一直是我國(guó)林產(chǎn)工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的難題。研究將TiO2光催化技術(shù)應(yīng)用于沒(méi)食子酸生產(chǎn)廢水的處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文擬對(duì)TiO2進(jìn)行光敏化改性提高其可見(jiàn)光吸收性能，以改性后的TiO2為光催化劑，活性炭為載體，采用膠黏法制備了易分離回收的負(fù)載型復(fù)合光催化劑，并以林產(chǎn)工業(yè)沒(méi)食子酸生產(chǎn)廢水為例，在氙燈（模擬太陽(yáng)光）光照下，利用

3、所制備的負(fù)載型光催化劑進(jìn)行了太陽(yáng)光催化降解的應(yīng)用研究。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)首先以工業(yè)級(jí)納米TiO2(Degussa P25 TiO2)為原料，利用光敏劑吡咯(Py)作為聚合單體，采用化學(xué)氧化法和原位聚合法制備了聚吡咯(PPy)改性TiO2(PPy-TiO2)可見(jiàn)光催化劑。使用400 W金鹵燈為光源（模擬可見(jiàn)光），甲基橙為日標(biāo)污染物，考察了PPy-TiO2制備過(guò)程中的吡咯加入量、氧化劑加入量、超聲

4、混合時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)可見(jiàn)光催化活性的影響，并利用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。采用紫外-可見(jiàn)漫反射光譜(UV-Vis DRS)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(LRS)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)和掃描電子顯微鏡-能譜儀(SEM-EDS)等手段對(duì)所制得的樣晶進(jìn)行了分析表征。研究結(jié)果表明:最優(yōu)反應(yīng)條件為采用過(guò)硫酸銨(APS)氧化劑;n(TiO2)∶n（吡咯）∶n（過(guò)硫酸銨）=1∶0.0345∶0.069;超聲時(shí)間為30 mi

5、n;反應(yīng)時(shí)間為5 h。與純TiO2相比，PPy-TiO2光催化劑在可見(jiàn)光下具有更高的光催化活性，30 min對(duì)30 mg/L甲基橙溶液的光催化降解率達(dá)68.41％，且各因素影響趨勢(shì)的大小依次為反應(yīng)時(shí)間、Py加入量、APS加入量和超聲混合時(shí)間。PPy-TiO2在可見(jiàn)光區(qū)的吸收比納米TiO2增強(qiáng)，發(fā)生了紅移;PPy改性后的納米TiO2晶型結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生改變，仍為銳鈦礦和金紅石混合晶型;吡咯氧化聚合形成聚吡咯后成功地包覆到了納米TiO2粒子的表

6、面上且存在著強(qiáng)烈的相互作用。
　　(2)以上述優(yōu)化工藝條件制備的PPy-TiO2作為光催化活性成分，酸活化后的椰殼活性炭作為載體，采用膠黏法制備了負(fù)載型PPy-TiO2/CSC光催化劑，考察了PPy-TiO2與活性炭的負(fù)載比、無(wú)機(jī)膠硅酸鈉的用量、光催化劑用量和目標(biāo)污染物溶液初始濃度的影響，還進(jìn)行了不同初始濃度的固定相光催化降解的動(dòng)力學(xué)研究。并采用FT-IR和SEM-EDS等對(duì)所制得的PPy-TiO2/CSC樣品進(jìn)行了分析表征。當(dāng)P

7、Py-TiO2、硅酸鈉和椰殼活性炭的用量分別為3∶3∶10（質(zhì)量比）時(shí)，所制得的PPy-TiO2/CSC可見(jiàn)光催化活性最好。對(duì)于40 mg/L200 mL甲基橙溶液，400 W金鹵燈光照，1.0 gPPy-TiO2/CSC光催化30 min脫色率達(dá)到90.96％。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，PPy-TiO2/CSC可見(jiàn)光催化降解不同初始濃度的甲基橙溶液符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。FT-IR和SEM-EDS表征結(jié)果顯不PPy-TiO2已成功負(fù)載到椰殼活性

8、炭上且活性炭的大部分孔隙和表面被PPy-TiO2光催化劑填充和包覆。
　　(3)在500 W氙燈（模擬太陽(yáng)光）光照下，采用PPy-TiO2/CSC光催化降解沒(méi)食子酸生產(chǎn)廢水的單因素實(shí)驗(yàn)及正交試驗(yàn)結(jié)果表明，太陽(yáng)光催化降解沒(méi)食子酸生產(chǎn)廢水受pH值、H2O2通入量、光照時(shí)間、催化劑用量的影響;光降解100 mL稀釋10倍的沒(méi)食子酸生產(chǎn)廢水的最佳工藝條件為:pH=7，PPy-TiO2/CSC催化劑用量為0.5 g，3％H2O2添加量為0.