纳米TiO_2的掺杂改性及在炸药厂污水处理中的应用

【摘要】：目前纳米TiO_2光催化技术在化学、物理、材料、环境、能源等领域有着广泛的应用前景。在降解污染物方面，纳米TiO_2具有处理效率高、工艺设备简单、操作条件易控制、非选择地降解有机污染物、无二次污染等优点，在治理污染的研究中引起了广泛的重视。 本文以钛酸丁酯为原料，用醇盐水解法制备了纳米TiO_2，并用稀土离子来对其掺杂改性。通过实验研究了煅烧温度、干燥方式对纳米TiO_2晶相组成、粒径大小以及光催化活性的影响。实验表明，干燥方式对纳米TiO_2经高温煅烧后的晶相组成、粒径和光催化活性有显著的影响。XRD、TEM分析显示，真空干燥和超临界干燥的纳米TiO_2经850℃煅烧处理后，其晶相主要是锐钛矿相，粒径在50nm左右；通过降解甲基橙显示具有较好的光催化活性。 通过对纳米TiO_2进行掺杂，制备了分别掺杂Y等稀土离子和SiO_2、B_2O_3、单独掺杂SiO_2的纳米TiO_2粉体。发现掺杂Y等稀土离子和SiO_2、单独掺杂SiO_2均能提高纳米TiO_2的光催化活性，尤其是经高温煅烧处理后，掺杂纳米TiO_2依然具有较好的光催化活性。经正交试验优化和响应曲面法实验，深入研究了SiO_2的掺杂量、煅烧温度、干燥方式对纳米TiO_2的光催化活性的影响及机理。在本实验条件下筛选出SiO_2掺杂量为9.0％，经红外干燥和850℃煅烧处理后的纳米TiO_2粉体具有最好的光催化活性。XRD、TEM分析显示，在此工艺条件下制备的纳米TiO_2晶相为锐钛矿相，晶粒粒径在20nm左右。说明SiO_2掺杂提高了TiO_2的相转变温度，抑制了纳米粒子的长大。 在制备得经高温处理，依然具有较好光催化活性的掺杂纳米TiO_2后。通过载体负载掺杂SiO_2的纳米TiO_2来制备复合体，为纳米TiO_2的实际应用进行探索性研究。实验比较了不同陶瓷载体、不同负载工艺、不同负载量和不同载体粒径制备的复合体的光催化活性。经XRD、SEM、X能谱分析，经850℃煅烧处理后的复合体，纳米TiO_2与载体表面紧密结合，载体表面上的掺杂纳米TiO_2依然保持锐钛矿相。筛选出了具有较高光催化活性，负载掺杂SiO_2的纳米TiO_2陶瓷复合体的制备工艺。 将筛选出的具有较高光催化活性的陶瓷复合体，应用于降解某炸药厂生产排放的污水。经光降解实验发现，污水中的主要污染物均被不同程度地降解了，并且经复合体光催化降解后的污水，基本达到了国标《兵器工业水污染物排放标准火炸药(GB14470.1-93 1994-01-01实施)》规定的排放标准。 【关键词】：纳米TiO_2 掺杂 光催化活性 复合体
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：X789
【目录】：

• 中文摘要5-6
• 英文摘要6-21
• 第一章 概述21-33
• 1.1 引言21
• 1.2 TiO_2光催化降解有机污染物的研究概况21-25
• 1.2.1 TiO_2光催化反应机理21-23
• 1.2.2 影响光催化效果的因素23-25
• 1.2.3 TiO_2光催化剂的研究历史及现状25
• 1.3 纳米TiO_2改性技术原理及途径25-28
• 1.3.1 半导体复合25-26
• 1.3.2 金属离子掺杂26-27
• 1.3.3 金属沉积27-28
• 1.3.4 非金属掺杂28
• 1.3.5 表面敏化28
• 1.4 纳米TiO_2光催化降解污染物的应用范围28-30
• 1.4.1 空气中有害物质的去除28-29
• 1.4.2 废水中污染物的去除29
• 1.4.3 饮用水的深度处理29-30
• 1.4.4 光催化杀菌30
• 1.5 纳米TiO_2光催化材料的应用及固定化技术30-31
• 1.5.1 纳米TiO_2光催化材料在应用中的问题30-31
• 1.5.2 固定化技术的研究现状31
• 1.6 本课题研究的意义和内容31-33
• 1.6.1 本课题研究的意义31-32
• 1.6.2 本课题研究的内容32-33
• 第二章 纳米TiO_2的制备与改性及陶瓷负载纳米TiO_2复合体的制备33-43
• 2.1 试剂与仪器33-34
• 2.1.1 试剂33
• 2.1.2 仪器33-34
• 2.2 纳米TiO_2粉体的制备与光催化性能表征34-35
• 2.2.1 纳米TiO_2粉体的制备工艺选择34
• 2.2.2 纳米TiO_2粉体的制备34-35
• 2.2.3 纳米TiO_2粉体光催化性能表征35
• 2.3 SiO_2及稀土离子掺杂纳米TiO_2的制备35-36
• 2.3.1 SiO_2及稀土离子掺杂纳米TiO_2的制备35-36
• 2.3.2 SiO_2及稀土离子掺杂纳米TiO_2粉体光催化性能表征36
• 2.4 硼、SiO_2掺杂纳米TiO_2的制备36-37
• 2.4.1 硼掺杂纳米TiO_2的制备与光催化性能表征36-37
• 2.4.2 SiO_2掺杂纳米TiO_2的制备与光催化性能表征37
• 2.5 正交实验37-38
• 2.6 响应曲面法(RSM)实验38
• 2.7 陶瓷负载SiO_2掺杂纳米TiO_2的制备与光催化性能表征38-41
• 2.7.1 陶瓷载体的制备38
• 2.7.2 陶瓷负载SiO_2掺杂纳米TiO_2的制备38-41
• 2.7.3 负载SiO_2掺杂纳米TiO_2的陶瓷复合体光催化性能表征41
• 2.8 陶瓷复合体光催化降解炸药厂排放污水实验41
• 2.9 实验测试方法41-43
• 2.9.1 水样检测41-42
• 2.9.2 光催化剂检测42-43
• 第三章 纳米TiO_2光催化剂性能研究43-66
• 3.1 甲基橙浓度与吸光度标准曲线的绘制43
• 3.2 纯纳米TiO_2粉体的性能分析43-52
• 3.2.1 煅烧温度对纳米TiO_2性能的影响43-46
• 3.2.2 干燥方式对纳米TiO_2性能的影响46-52
• 3.3 SiO_2和稀土掺杂纳米TiO_2的光催化性能分析52-54
• 3.3.1 选择SiO_2和稀土复合掺杂的原因52-53
• 3.3.2 煅烧温度及稀土离子掺杂量的影响53-54
• 3.4 硼掺杂纳米TiO_2的性能分析54-55
• 3.5 SiO_2掺杂纳米TiO_2的性能分析55-66
• 3.5.1 SiO_2不同掺杂方法对催化剂性能的影响55-56
• 3.5.2 SiO_2掺杂量及煅烧温度对催化剂性能的影响56-61
• 3.5.3 实验条件优化61-63
• 3.5.4 响应曲面法(RSM)实验结果及讨论63-65
• 3.5.5 光催化剂性能评价结果65-66
• 第四章 陶瓷负载SiO_2掺杂的纳米TiO_2复合体性能研究66-74
• 4.1 结果与讨论66-69
• 4.1.1 不同陶瓷的比较66
• 4.1.2 不同负载量的比较66-67
• 4.1.3 不同负载方式的比较67-68
• 4.1.4 不同陶瓷粒径的比较68-69
• 4.2 复合体表征69-72
• 4.2.1 复合体上TiO_2的负载量69-70
• 4.2.2 样品X衍射(XRD)分析70
• 4.2.3 样品扫描电子显微镜(SEM)分析70-71
• 4.2.4 样品X射线能谱分析71-72
• 4.3 复合材料光催化性能的评价结果72-74
• 第五章 负载SiO_2掺杂的纳米TiO_2陶瓷复合体对有机废水的降解74-77
• 5.1 污水水样概况74
• 5.1.1 污水水样的主要成分及特点74
• 5.1.2 污水水样的理化指标74
• 5.2 光催化降解污水实验结果与讨论74-75
• 5.3 陶瓷复合体降解污水的评价结果75-77
• 第六章 结论77-79
• 6.1 结论77
• 6.2 建议及展望77-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-84
• 附录84-85
• 原创性声明85
• 关于学位论文使用授权的声明85

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