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

1、TiO2光催化技術(shù)是目前被廣泛關(guān)注的一項催化新技術(shù)。TiO2在受光照后會產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子具有很強的還原能力，光生空穴具有很強的氧化能力，當(dāng)污染物種(如有機物或金屬離子)吸附到半導(dǎo)體TiO2表面時，就會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)境保護研究領(lǐng)域的一個研究熱點。本課題在以下幾個方面做了一些研究工作，為開拓TiO2納米管催化劑在同步處理有

2、毒有機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行表征。表明用水熱合成法制備的納米管不會改變其晶型，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、具有相對較好的分散性能，克服了納米TiO2顆粒容易團聚的現(xiàn)象，制備出來的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實驗條件下，用所制備的TiO2納米管進行光催化降解EDTA、酒石酸、檸檬酸和DTPA的研究。實驗發(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，可以促進四種有機物的降解，使反應(yīng)速率更快，反應(yīng)更徹底。1小時后，采用高效液相色譜(HPLC)很難檢測到體系中的有機物。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納米管進行光催化還原Cu(Ⅱ)和Ag(Ⅰ)的實驗。1小時后Cu(Ⅱ)和Ag(Ⅰ)的去除率分別達到了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)勢和前景的資源回收的方法。
　　 4.研究了有機添加物的氧化還原電位與有機物對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物都能明顯促進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；有機物

6、對金屬離子的反應(yīng)速率的影響與有機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)果表明添加有機物，只是影響金屬離子的光催化反應(yīng)速率，而對金屬Cu(Ⅱ)還原產(chǎn)物的形態(tài)則沒有影響。
　　 5.對TiO2納米管光催化處理含絡(luò)合銅廢水的處理進行了研究。實驗發(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)的存在對有機配體的光催化氧化還是具有促進作用，但配合物的穩(wěn)定性的大小會影響這

7、種促進作用。同樣地，有機物的存在，即使能與Cu(Ⅱ)穩(wěn)定配合，對Cu(Ⅱ)的光催化還原也具有促進作用，同時體系的pH變化、有機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Ag(Ⅰ)光催化還原速率的影響和檸檬酸、酒石酸對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。實驗發(fā)現(xiàn)不管Ag(Ⅰ)能否與有機體配合，Ag(Ⅰ)的光催化還原和有機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體穩(wěn)定配合，這種配合作用將會使有機體對金屬離子光催化還原的促進作用有所降低；同樣配合物的產(chǎn)生也會降低金屬離子對有機體的光催化降解的促進作用。不管有沒有添加有機體，Ag(Ⅰ)還原后的體系的pH都會降低；但下降的程度不一樣