復(fù)合納米ZnO光催化劑的制備、表征及性能應(yīng)用研究.pdf

1、半導(dǎo)體氧化鋅(ZnO)因其寬禁帶寬度等特性而成為一種具有應(yīng)用前景的光催化劑。本論文較為系統(tǒng)地研究了以納米ZnO為光催化劑基質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行不同的改性。采用超聲沉淀法制備了純納米ZnO，通過(guò)改性分別制備了Bi/ZnO、Ce/ZnO、ZnO/PVC等多種光催化劑。用沸石負(fù)載Bi/ZnO，并對(duì)Bi/ZnO/沸石的制備條件和應(yīng)用條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。用偶聯(lián)劑法制備了Bi/ZnO、Ce/ZnO、ZnO/PVC聚丙烯多面球，并對(duì)負(fù)載后聚丙烯多面球的光催化

2、降解性能進(jìn)行了比較。通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)制備的光催化劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能的探究。同時(shí)考慮實(shí)際的應(yīng)用，以海產(chǎn)品深加工廢水為目標(biāo)物進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)。對(duì)其中Ce/ZnO光催化劑進(jìn)行了光催化動(dòng)力學(xué)研究。
　　本論文的主要研究結(jié)果如下：
　?。?）用超聲沉淀法制備了純納米 ZnO，以 XRD、SEM等測(cè)試手段對(duì)制得納米 ZnO進(jìn)行晶型、粒徑、形貌的表征，探討了催化劑加入量、氨氮和COD初始濃度、pH值、反應(yīng)時(shí)間、過(guò)氧化氫等因素對(duì)光催化作

3、用的影響。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳實(shí)驗(yàn)組合為：對(duì)于氨氮來(lái)說(shuō)，ZnO投加量0.9g/L，氨氮初始濃度140mg/L，COD初始濃度900/L，pH值9，光照時(shí)間4h。降解率達(dá)65.804％。對(duì)于COD來(lái)說(shuō)，ZnO投加量0.9g/L，氨氮初始濃度110mg/L，COD初始濃度600/L，pH值9，光照時(shí)間3h。降解率達(dá)80.00%
　?。?）用沉淀法制備稀土 Ce/ZnO光催化劑，以紅外分析、XRD、SEM等測(cè)試手段對(duì)制得納米 ZnO進(jìn)行

4、成鍵、晶型、粒徑、形貌等的表征。通過(guò)觀察紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)隨著Ce摻雜量的增加，CeO2的的特征峰逐漸出現(xiàn)，且峰位置逐漸藍(lán)移。隨著煅燒溫度和煅燒時(shí)間的增加，游離水中的H-O-H的吸收峰逐漸減小，氧化鋅的表面羥基峰值先增大后減小。通過(guò)XRD衍射圖譜對(duì)比分析，制備的催化劑為典型的六方纖鋅礦，結(jié)晶良好，純度較高。Ce元素已經(jīng)以某些形式存在于復(fù)合納米催化劑中。隨著煅燒溫度和煅燒時(shí)間的增加，結(jié)晶度越來(lái)越高。平均粒徑在40-50nm之間，Ce的摻雜對(duì)

5、粒徑大小的影響不大。用制備的光催化劑對(duì)模擬海產(chǎn)品深加工廢水中的氨氮及 COD進(jìn)行降解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于氨氮降解的影響順序?yàn)椋红褵郎囟?光照時(shí)長(zhǎng)>催化劑用量投加量>Ce的摻雜比≈煅燒時(shí)間。對(duì)于COD來(lái)說(shuō)，影響大小順序?yàn)椋汗庹諘r(shí)間>煅燒時(shí)間>煅燒溫度>Ce摻雜比>催化劑投加量。根據(jù)正交試驗(yàn)，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，氨氮和COD的去除率分別可以達(dá)到83.4%和59.1%。
　?。?）用溶膠凝膠法制備了Bi/ZnO光催化劑，用熱重分析、紅外分析、

6、XRD、SEM等測(cè)試手段對(duì)制得納米 ZnO進(jìn)行成鍵、晶型、粒徑、形貌等的表征。通過(guò)熱重分析，確定Bi/ZnO煅燒溫度至少高于270℃。通過(guò)紅外譜圖比較分析，隨著溫度的提高和n(Bi)：n(Zn)的增大，吸收峰發(fā)生藍(lán)移，隨著煅燒時(shí)間的增加，吸收峰紅移。通過(guò) XRD衍射分析，隨著Bi含量、煅燒溫度和煅燒時(shí)間的增加，粒徑增加。掃描電鏡觀察，隨著n(Bi)：n(Zn)、煅燒溫度、煅燒時(shí)間的增加，粒徑相對(duì)增加，有些甚至超過(guò)納米級(jí)。用制備的光催化劑

7、分別在紫外光和可見(jiàn)光條件下，對(duì)模擬海產(chǎn)品深加工廢水中的氨氮及 COD進(jìn)行降解，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳的實(shí)驗(yàn)組合：紫外光條件下，對(duì)于氨氮降解的影響順序?yàn)椋汗夥磻?yīng)時(shí)長(zhǎng)>煅燒溫度>煅燒時(shí)間>n(Bi):n(ZnO)>光催化劑用量。對(duì)于COD來(lái)說(shuō)，影響大小順序?yàn)椋红褵郎囟?n(Bi):n(ZnO)>光催化劑用量>煅燒時(shí)間>光反應(yīng)時(shí)間。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，氨氮和COD的去除率分別可以達(dá)到86.7.%和76.9%?？梢?jiàn)光條件下，對(duì)于氨氮降解的影響順序?yàn)?/p>

8、：光反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)>光催化劑用量>煅燒時(shí)間>煅燒溫度> n(Bi):n(ZnO)。對(duì)于COD來(lái)說(shuō)，影響大小順序?yàn)椋汗夥磻?yīng)時(shí)間>煅燒時(shí)間>煅燒溫度≈n(Bi):n(ZnO)>光催化劑用量。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，氨氮和COD的去除率分別可以達(dá)到87.19%和89.33%。
　?。?）用兩步合成法制備了ZnO/PVC光催化劑，用熱重分析、紅外光譜、XRD、SEM等測(cè)試手段對(duì)制得納米ZnO進(jìn)行成鍵、晶型、粒徑、形貌等的表征。對(duì)前驅(qū)物進(jìn)行熱重分析，確

9、定在223℃附近，ZnO/PVC開(kāi)始復(fù)合形成共軛高分子。在紅外光譜比較中，不僅觀察到ZnO和PVC各自的特征峰，同時(shí)觀察到Zn-O-C鍵合的吸收峰。通過(guò)XRD衍射圖對(duì)比，150℃時(shí)，復(fù)合物中只有ZnO特征峰明顯，隨著溫度升高，ZnO特征峰逐漸消失，同時(shí)出現(xiàn) ZnO/PVC復(fù)合形成的衍射峰，且分散度較高。在可見(jiàn)光條件下，對(duì)模擬海產(chǎn)品深加工廢水中的氨氮及 COD進(jìn)行降解，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳的實(shí)驗(yàn)組合：對(duì)于氨氮降解來(lái)說(shuō)，各因素影響順序?yàn)橐来?/p>

10、為：ZnO與PVC質(zhì)量比>煅燒時(shí)間>煅燒溫度>光照時(shí)間>投加量。對(duì)于COD來(lái)說(shuō)，各因素影響順序?yàn)椋红褵郎囟?煅燒時(shí)間>光照時(shí)間>ZnO與 PVC質(zhì)量比>投加量。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，氨氮和COD的去除率分別可以達(dá)到77.4%和66.7。
　?。?）研究了納米Ce/ZnO粉末光催化降解海產(chǎn)品深加工廢水中氨氮和COD的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在Langmuire-Hinshelwood(L-H)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考察了催化劑制備條件的煅燒溫度、煅燒

11、時(shí)間、Ce摻雜比以及污染物初始濃度等4個(gè)因素，結(jié)果表明可以用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述。
　?。?）利用沸石、聚丙烯多面球作為載體進(jìn)行負(fù)載工藝。制備了負(fù)載型Bi/ZnO/沸石光催化劑，運(yùn)用XRD、SEM等方法進(jìn)行了表征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了負(fù)載型光催化劑應(yīng)用的優(yōu)化條件。實(shí)驗(yàn)表明：負(fù)載型光催化劑對(duì)較低濃度的氨氮和COD有更好的降解效果?？梢?jiàn)光下，氨氮和COD的去除率最高可達(dá)分別達(dá)80.9%和94.1%。同時(shí)制備了ZnO/PVC、Ce/ZnO