兩種殼-殼-核結構的磁載光催化劑的低溫制備及其光催化與磁回收性能研究.pdf

1、TiO2半導體材料由于其強氧化性、高催化活性、化學性質穩(wěn)定、反應條件溫和、無毒、價格低廉以及無二次污染等優(yōu)點,被認為是最具有前景的治理有機污染廢水的綠色材料之一。在水處理過程中,懸浮態(tài)的TiO2由于其比表面積大和分散性良好,具有較高的催化效率,但存在回收困難的問題,直接排放不僅導致二次污染,而且也使處理成本急劇上升。將TiO2固定在玻璃、陶瓷等塊狀載體上,雖解決了回收難的問題,但是光催化效率卻明顯下降。為達到既具有高催化效率,又能回收利

2、用的目的,研究通常以超順磁性的材料為磁核,在其表面直接負載TiO2或者先包覆無機惰性隔離層如SiO2等,隨后再將TiO2負載到用無機材料改性的磁核上。但是這些磁載光催化劑在制備過程中,存在磁回收性能下降以及高溫煅燒導致催化活性下降等缺點,制約著TiO2的工業(yè)化應用。
　　 針對上述問題,本文用水解法在低溫(90℃)、中性(pH=7左右)條件下,合成納米TiO2,確定了TiO2的最優(yōu)合成路線。采用以納米Fe3O4為磁核,分別以Al

3、2O3和聚苯乙烯(PS)為惰性隔離層,將TiO2負載在磁性材料上,制備出2種具有殼/殼/核結構的磁載光催化劑TiO2/Al2O3/Fe3O4和TiO2/PS/Fe3O4。用X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉紅外分光光度計(FT-IR)和振動樣品磁強計(VSM)等儀器對催化劑的物相組成、形貌、表面性質和磁學性質進行了表征;分別以初始濃度均為25mg·L-1的苯酚和Cr(Ⅵ)作為模擬污染物,用反應速率常數(shù)K評價所制備的

4、催化劑的光催化活性。通過自制的磁回收裝置考察磁載光催化劑的磁回收率;通過重復實驗考察磁載光催化劑的催化活性壽命。通過研究,本文得到如下結論:
　　 1.用低溫水解法制得納米TiO2光催化劑。設計正交實驗,選擇了三種因素:水鈦摩爾比、醇鈦摩爾比及反應回流時間,考察這三種因素在三個水平上對TiO2光催化活性的影響。在本實驗條件下,得出最佳催化活性TiO2的制備方案,即以乙醇作為溶劑,水、醇和鈦的摩爾比50:30:1,在90℃條件下反

5、應6小時。
　　 2.以Al2O3為惰性隔離層,以納米Fe3O4為磁核,制備了TiO2/Al2O3/Fe3O4磁載光催化劑?？疾炝薚iO2、Fe3O4和Al2O3不同摩爾比,對所制備的磁載光催化劑的光催化活性的影響,從中選出所制備的最佳磁載光催化劑。結果表明,催化劑TAF6(其中物質的量比為nTiO2:nAl2O3:nFe3O4=60:5:1)具有最佳的光催化活性,降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)均遵循一級反應動力學方程。降解苯酚的反應

6、速率常數(shù)K=0.0223,在循環(huán)使用5次后,反應速率常數(shù)僅下降0.0041。還原Cr(Ⅵ)的反應速率常數(shù)K=0.0123。磁性催化劑TAF6具有較強的磁感應強度和良好的磁回收性能,在降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)實驗中,TAF6循環(huán)使用5次,平均回收率分別約為85.06％和80.05%。
　　 3.以聚苯乙烯(PS)為惰性隔離層,以納米Fe3O4為磁核,制備了TiO2/PS/Fe3O4磁載光催化劑。考察了TiO2、Fe3O4和苯乙烯單

7、體(St)不同摩爾比,對所制備的磁載光催化劑的光催化活性的影響,確定了最佳磁載光催化劑。結果表明,TPF6(其中物質的量比為nTiO2:nSt:nFe3O4=60:2.5:1)具有良好的光催化活性,降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)均遵循一級反應動力學方程。降解苯酚的反應速率常數(shù)K=0.0265;在循環(huán)使用5次后,反應速率常數(shù)僅下降0.0038。還原Cr(Ⅵ)的反應速率常數(shù)K=0.0232。磁載催化劑TPF6具有較強的磁感應強度和良好的磁回收性能

8、,在降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)實驗中,TPF6循環(huán)使用5次,平均回收率分別約為92.7%和88.36%。
　　 以聚苯乙烯為惰性隔離層的磁載光催化劑克服了常規(guī)熱處理及無機隔離層所造成的催化活性及磁回收性能下降的不利影響。磁載光催化劑TPF6能滿足實際生產需要,比商用的P25具有更廣泛的應用前景。
　　 4.從光催化活性、磁回收性能以及催化活性壽命等方面對TAF6和TPF6進行比較。結果表明,磁載光催化劑TPF6比TAF6具