TiO2及非金屬改性TiO2光催化氧化苯甲酸的研究.pdf

1、TiO2光催化氧化技術(shù)因具有能耗低、反應(yīng)條件溫和、操作簡單、無二次污染等突出優(yōu)點而日益受到重視。然而由于TiO2為寬禁帶半導(dǎo)體，只有在紫外光（λ≤387nm）的激發(fā)下才能表現(xiàn)出光催化活性，不響應(yīng)可見光；同時在光催化反應(yīng)過程中，催化劑常常存在失活現(xiàn)象；懸浮態(tài)體系雖然具有高反應(yīng)速率，但粉末催化劑如何與凈化的水體分離是很難解決的問題。這些不利因素均使光催化技術(shù)在水處理中的實際應(yīng)用受到了限制。本論文針對TiO2光催化技術(shù)存在的問題，采用濕法水解

2、和焙燒法分別制備了可見光催化劑TiO2-xNx和SyTi1-yO2，并對它們進(jìn)行了紅外光譜（IR）、BET表面積、X-射線衍射（XRD）、X-射線光電子能譜（XPS）、表面光電壓譜（SPS）及紫外-可見漫反射光譜（DRS）等方面的表征，分析了其響應(yīng)可見光的機理；系統(tǒng)的研究了光催化劑在使用過程中的失活機理及再生方法；最后，采用PTFE粘結(jié)法對光催化劑進(jìn)行了固定化技術(shù)的研究。
　　研究表明，濕法水解制備TiO2-xNx時，各種添加劑及

3、焙燒溫度影響催化劑活性的順序依次為：硝酸>氨水>無水乙醇>焙燒溫度，其優(yōu)化配比為：VTNB:V無水乙醇:V氨水:V硝酸=20:80:40:0.5，焙燒溫度為350℃。制備的TiO2-xNx晶型為銳鈦礦，經(jīng)計算x=0.0282，即TiO2-xNx可表示為TiO1.9718N0.0282；微晶尺寸為9nm，比表面積為139.3m2/g；N以γ-N2和β-N兩種化合態(tài)形式存在；TiO2-xNx仍為n型半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.9eV，在水溶液中的

4、等電點位于pH=5.3附近；TiO2-xNx的SPS吸收峰表現(xiàn)出明顯的紅移和寬化現(xiàn)象，其光電壓響應(yīng)閾值為459nm。
　　制備SyTi1-yO2的最佳焙燒溫度為500℃，當(dāng)溫度過低時，僅為不同化合物的簡單混合，并未實現(xiàn)晶格摻雜；而當(dāng)溫度過高時摻雜在晶格中的S會因為高溫而被氧化掉。制備的SyTi1-yO2，晶型為銳鈦礦，微晶尺寸為10nm；孔徑分布在1.9～4.9nm之間，最可幾孔徑約為3.8nm，比表面積為212.2m2/g；S的

5、摻雜方式為+6價陽離子摻雜，經(jīng)計算y=0.0522，即SyTi1-yO2可表示為S0.0522Ti0.9478O2；SyTi1-yO2為n型半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.3eV，在波長400～550nm的可見光區(qū)有很強的光催化活性。
　　TiO2（P25）懸浮態(tài)光催化氧化苯甲酸的優(yōu)化條件為：當(dāng)pH=3.5，催化劑濃度為0.05g/L，對于10mg/L的苯甲酸溶液，2h內(nèi)TOC去除率可達(dá)87.2％；H2O2與苯甲酸的最佳摩爾比為1:72。當(dāng)

6、TiO2循環(huán)使用40h后將完全失活；引起TiO2失活的主要原因是苯甲酸及其降解中間產(chǎn)物的表面吸附，如羥基苯甲酸、順丁烯二酸、反丁烯二酸等吸附、積累在TiO2表面，占據(jù)了TiO2的表面活性位置，使其光催化活性下降；高溫焙燒對失活TiO2的再生效果最好。
　　TiO2-xNx懸浮體系光催化苯甲酸優(yōu)化條件為：催化劑的濃度0.3g/L、適宜pH=2.0，對于10mg/L的苯甲酸水溶液，2h內(nèi)TOC去除率為83.4%；當(dāng)苯甲酸濃度增加到40

7、mg/L時，2h內(nèi)TOC去除率仍高達(dá)67.4%，同P25相比TiO2-xNx有較高的濃度耐受力。TiO2-xNx在循環(huán)使用過程中存在穩(wěn)定期、老化期和失活期三個階段，TiO2-xNx使用42h后將完全失活；失活的TiO2-xNx，可采用酸洗再生法。
　　采用PTFE粘結(jié)法時，催化劑質(zhì)量與聚四氟乙烯質(zhì)量比例為4:1，最佳負(fù)載量為15mg/cm2時的復(fù)合催化膜光催化活性最好。固定化膜對光源的利用率更高，表現(xiàn)出很高的光催化活性。無論是固定