基于提高降解速率和量子產率的環(huán)境光催化技術研究及反應器設計.pdf

1、非均相光催化已作為一種高級氧化過程展現在人們面前。納米二氧化鈦幾乎可以降解所有的有機污染物，并有望利用太陽光。因此，基于鈉米二氧化鈦的環(huán)境光催化是一種頗有前景的環(huán)境治理技術，該領域正成為研究的“熱點”而引起廣泛關注。然而環(huán)境光催化的產業(yè)化應用還極為有限，究其原因：主要是相對較低的降解速率和量子產率，以及近紫外光能量(λ<380nm)的需求。 本文圍繞“提高降解速率和量子產率”的目標，主要研究了兩個有價值的反應體系；建立了基于相鄰

2、活性位雙分子表面反應的非均相動力學模型和基于柱狀發(fā)光體的輻射傳遞模型；應用模型分析了實驗結果，考察和比較了三種不同構型的光催化反應器；進行了實際的反應器成套裝置設計。主要研究工作如下： 在TiO<,2>-Na<,2>S<,2>O<,8>-苯酚反應體系中，當Na<,2>S<,2>O<,8>的初始濃度小于500 mg·l<,-1>時，苯酚的降解速率隨著Na<,2>S<,2>O<,8>初始濃度的降低，而急劇下降。過硫酸鹽作為電子受體，

3、抑制了電子/空穴的復合，起到了促進苯酚的降解的協同作用。然而，當Na<,2>S<,2>O<,8>初始濃度大于500mg·l<'-1>時，競爭性吸附起關鍵作用，過多的過硫酸鹽將嚴重影響到苯酚的吸附，反而不利于苯酚的降解。當Na<,2>S<,2>O<,8>初始濃度為500mg·l<'-1>時，可觀察到苯酚的降解速率達到最大。 開發(fā)了基于相鄰活性位雙分子表面反應的非均相動力學模型，針對苯酚和過硫酸鈉在固體催化劑表面活性位上發(fā)生的光催化

4、降解反應，通過模型判別確定了關鍵控制步驟，運用多元非線性回歸的方法進行了參數估計和顯著性檢驗，由回歸系數求得反應速率常數與吸附平衡常數，并最終得出由反應物苯酚與過硫酸鹽初始濃度表示的本征速度方程，即苯酚初始降解速率方程。 在溫和條件下制備了TiO<,2>溶膠，并將其負載在粉狀活性炭(AC)上，形成TiO<,2>-AC復合催化劑，TiO<,2>粒徑較小，分散性好，在活性炭表面和孔系內都負載有二氧化鈦，鈦元素高達40.34wt％。

5、在復合TiO<,2>sol/AC-苯酚體系中，相同條件下降解速率大于純TiO<,2>sol顆粒與純活性炭降解速率之和，表現出高的協同效應。與機械混合的P25-TiO<,2>/AC相對照，復合TiO<,2>sol/AC降解苯酚的速率要高得多，可能的原因是TiO<,2>sol與AC之間的吸附力較強，吸附態(tài)苯酚進行界面轉移相對也較容易。通過設計的脫附試驗表明；紫外輻照后，復合催化劑上不會產生苯酚累積性吸附。 建立了基于柱狀發(fā)光體的輻射

6、傳遞模型，利用該模型可求得局域光子吸附體積速率(LVRPA)以及光子吸收速率的體積均值(VRPA)。并針對三種不同構型，以苯酚為對象污染物的反應器進行設計計算，以求得反應器系統降解速率和量子產率。計算結果與實驗結果基本吻合。同時，該模型可以為反應器設計和構型選擇提供指導，初步分析表明，復合催化劑固定相是一種新型的反應器構型，其降解速率和量子產率要優(yōu)于傳統的其它三種反應器構型。設計出實際的光催化反應器，包括耦合微孔過濾的光催化降解成套裝置